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國家體育場鋼(鳥巢)結構安裝工程重型桁架柱單機立直安裝工藝

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    魏義進 封葉劍 劉子祥

    提要：國家體育場鋼結構安裝工程，對重型桁架柱采用800噸履帶吊單機立直安裝工藝，經當前施工過程證明，該工藝對于現場的場地利用、施工設備費用、結構安裝工期上都有良好的節約作用，并有較高的應用價值。
    關鍵詞：鋼結構、重型桁架柱、單機立直、安裝工藝

    一、工程概況
    國家體育場位于北京市城府路南側，奧林匹克公園中心區內，是北京2008年奧運會的主體育場。建筑頂面呈馬鞍型，長軸為332.3m，短軸為297.3m，南北跨度結構相對標高為42.246m，東西跨度結構相對標高為69.900m，屋蓋中間開洞長度為185.3m，寬度為127.5m。鋼結構總量約4.6萬噸，構件截面均為箱形截面構成不規則的鳥巢形體，其空間位置復雜多邊，形體宏大、美觀。

    其中主桁架共有48榀，即從24根桁架柱頂端分別沿兩外柱方向，向環內延伸交叉，主桁架總用鋼量約14000噸，組合柱約17020噸形成如下圖的主要承力體系。

    目前工程已經進入緊張的現場安裝階段，鋼結構安裝重量已經超過三分之一，其中桁架柱已基本安裝完成，鳥巢形體初現端倪。
    二、桁架柱分段說明及設備選擇
    由于收運輸尺寸限制，按公路運輸要求桁架柱分段運入現場后，按指定位置搭設拼裝胎架進行現場拼裝，根據鋼結構施工圖初步統計單根鋼柱重量超過600噸，如采用整體安裝方案，目前國內未有能滿足吊裝工況要求的大型起重設備，因此在深化圖紙設計階段將桁架柱分為上下兩個分段，下段柱高度為32米至45米，縱橫向寬度同一根柱基本一致，變化范圍為16米至25米，上段柱高度為15米至19米，縱橫向寬度同下柱基本一致。
    最大的分段重量（C7下）達到412噸，最小的分段重量也已經達到281噸，且桁架柱分段外型為三角形組合，所需要的最小安裝半徑不得小于20米，因此選擇CC4800型800噸履帶吊作為主要安裝設備，其性能如表１。

    針對選定的吊車性能，主要以78米主臂工況為主，在分段超重時采用66米主臂工況安裝，以最大限度地提高吊車的使用率。
    三、吊耳設計及索具選擇
    （一）、下段安裝吊耳及索具
    桁架柱最重吊裝段為：G=412t，根據桁架柱形狀及分段重量、長度、起吊方法及吊機性能等，采用吊耳吊裝。對于下段柱采用主吊車單車脫胎，脫胎吊耳采用四點脫胎，兩點在柱分段上端，兩點在分段下端；就位時將兩外柱的內側增加兩只同拉索方向一致的板式吊耳。其中內柱上端吊耳需要滿足脫胎和吊裝的雙重需要，特別是該吊耳將作為起扳立直過程中的主要吊耳，并且拉索的作用方向不斷變化，因此設計為管式吊耳，其他均采用板式吊耳。



    其中主吊索均采用鋼絲繩無頭繩圈，一頭掛于吊車鉤上，一頭通過三角形扁擔分兩股定長繩圈至兩個主吊點。
    （二）、上段安裝吊耳及索具
    上段桁架柱的脫胎吊耳和下段一致,但是在就位吊耳布置上有很大區別,就位吊耳均需設置在兩外柱扭曲段的上表面,以適應安裝就位狀態的需要,同時為保證吊耳同本體的焊接質量,吊耳落點設置在靠近側板附近,并根據吊耳落點的板厚采取了一定的加強措施,布置位置如圖3.4所示，索具配置如圖3.5。


    四、單機立直工藝
    單機立直工藝的優點：（1）、適應現場場地相對狹小的條件，解決大型輔助吊車無法站位的要求；（2）節約輔助吊車的費用；（3）提高主吊車在現場的使用率；（4）大型構件吊裝時便于統一指揮。立直工藝要點首先根據現場的場地情況，結合桁架柱分段拼裝的位置，無法滿足兩臺大型吊車的工作空間，特別地在使用800噸履帶吊時，為滿足構件吊裝重量的要求，需要設置超起工況，而當前CC4800型履帶吊，只有達到額定荷載的80%以上時，尾部的超起配重才有可能離開地面，此時吊車才有回轉的可能。對于常規的單車立直動作，吊點應當設置在靠近吊車一側，立直回轉軸應當設置在遠離吊車一側，以防止在構件立直過程中，構件向起重平面外的傾覆趨勢。但是在本桁架柱分段的立直過程中，由于構件的重量幾乎均接近吊車的最大極限荷載，而且構件的長度均大于30米，如果采用回轉軸設置在遠離吊車的方向，當構件立直后，在大于30米的半徑外構件重量已經遠超過該半徑的額定荷載。因此在采取了一系列的保證措施后，選擇了回轉軸靠近吊車，起吊點遠離吊車的立直回轉方向，可以保證在20米半徑之內使構件完全立直，并且能夠滿足安裝半徑的需要。
    （一）、立直回轉前準備
    CC4800型800噸單車將構件脫胎后，將待立直構件同吊車的起重平面設置在一條直線上，確保吊車的超起配重中心、吊車的中心、起扳點、回轉軸中心點四點在一條直線上。如圖4.1所示。
    構件脫胎擱置于地面后，為確保能夠有效地繞預定回轉軸旋轉，即在靠近履帶吊方向的桁架下端設置軟木回轉槽，根據桁架柱下端有兩個外柱末端可以接觸地面，在對應位置分別設置回轉槽，構造如圖4.2。


    （二）、回轉過程說明
    構件脫胎擺放于立直場地后，對于下柱僅需拆除下端拉索，轉移到兩外柱上端口的板式拉耳上，原內柱上段的主吊索可以沿圓管吊耳轉至同吊點垂直。保持超起配重位置不變,以內柱上吊點為起扳點,外柱下端為回轉軸,開始構件的起扳動作。初始階段，由于起扳的荷載較小，尾部超起配重不會脫離地面，前端大鉤的起重能力完全滿足要求。隨著構件的逐漸立直，起重半徑逐漸減小，起扳吊點所承受的荷載也逐漸增加，但是對應800噸履帶吊的起重能力隨半徑的減小也逐漸增加，在整個回轉立直過程中的任何一點，對應的起重半徑和起重能力的對應數值，均在800噸允許的額定起重荷載之內。一般控制在20米半徑之內，將構件可以完全提離地面，分步過程如圖4.3所示。
    在整個立直過程中關鍵控制措施為防止起扳的構件，往履帶吊方向的回蕩及構件往起重平面外的傾斜，所采取的控制措施主要有以下幾點：

    A、 始終保持800噸履帶吊大鉤在起吊點上方，并設置一定的向大半徑方向的余量，使得在整個立直過程中，構件所受的水平拉力為遠離吊車方向；
    B、 設置在外柱下端的回轉槽必須同周邊的路基箱連成整體，在提供足夠強度的豎向荷載的同時，也能夠經受的起水平推力的作用；
    C、 隨著整個立直過程，作用于兩外柱上段的副吊索的長度將逐漸收緊，在該方向上均設置了120噸~200噸級別的滑輪組，為保證兩個副吊點可以對構件回轉起到一定的約束作用，必須隨著構件的起扳，逐漸拉緊滑輪組跑繩，使滑輪組一直處于張緊狀態。
    D、 對應構件起扳的較遠方向，在兩外柱頂端分別設置有足夠強度的纜風繩，隨構件的立直，逐漸放長，特別是在構件已經到達可以脫離地面前的臨界狀態，必須張緊纜風繩，以有效控制構件的回轉。
    （三）、構件的調平
    當構件完全立直，并脫離地面后，構件所處于的狀態，同實際需要安裝就位的狀態還存在一定的角度。主要表現為立直后，內柱同大地是不垂直的，而安裝就位狀態內柱是完全垂直于大地的，因此必須對構件進行調平工作。在構件的調平過程中，仍然依靠設置在兩外柱上端的滑輪組的逐步張緊，縮短輔助吊索的長度，將內柱在兩個方向上調整為垂直狀態。如圖4.4所示。

    （四）、構件就位
    當構件完全調整到同就位狀態一致后，將800噸履帶吊帶載開行到預定的就位中心位置，最大行走距離約20米，將構件安裝到設計位置，并精確調整到相關規范規定的偏差范圍之內后，將構件臨時固定，按既定的焊接方案進行構件的焊接固定。
    桁架柱上柱的起扳立直過程，除構件在外形上存在一定差別外，起扳過程的控制基本一致。
    五、總結
    在國家體育場桁架柱分段安裝過程中，由于構件的體量和重量都很大，而且所選用的800噸履帶吊設置超起工況后所需工作空間也非常大，采用單機立直回轉工藝，有效地利用了現場的施工場地，并且節約一臺300噸級的輔助吊車，有其明顯的經濟性。同時在整個立直過程中，充分利用800噸主吊車的起重性能，其所承擔的荷載隨立直動作的進行逐步增加，并使其在各個半徑范圍內的額定起重量都得到了充分的利用，開闊了在大噸位構件起重過程中對構件起重半徑和起重量協調控制的新思路。同時根據吊裝工況所設置的圓管式吊耳、三角形鐵扁擔、軟木回轉槽等細部節點措施，有效地保證了單車立直回轉過程的安全完成，并在實踐中得到了很好的驗證，減少大噸位構件在安裝過程中對大型設備的使用時間，取得了良好的經濟效益和提高了整個安裝過程的工作效率。
    參考文獻
    （1）、何焯，設備起重吊裝工程便攜手冊，北京：機械工業出版社，2005.1；
    （2）、朱學敏，起重機械，北京：機械工業出版社，2003.6；
    （3）、中國巨力集團產品介紹，河北保定；
    （4）、沈陽碼猛特重型設備性能表，沈陽；

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