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國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)巨型桁架柱吊裝

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    王 楠
    （上海寶冶建設(shè)有限公司，上海，200941）
    [摘要]作為2008年北京奧運(yùn)會(huì)的主會(huì)場(chǎng)，國(guó)家體育場(chǎng)規(guī)模巨大，鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式極其復(fù)雜，構(gòu)件體形龐大，大型構(gòu)件吊裝十分頻繁，施工難度大。本文通過(guò)國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程的桁架柱的施工，簡(jiǎn)單介紹了大型構(gòu)件的吊裝技術(shù)和吊裝心得。
    [關(guān)鍵詞]國(guó)家體育場(chǎng) 鋼結(jié)構(gòu) 大型構(gòu)件 吊裝

    引言
    國(guó)家體育場(chǎng)作為2008年北京奧運(yùn)會(huì)主會(huì)場(chǎng)，在所有奧運(yùn)工程中的地位舉足輕重，其主結(jié)構(gòu)特點(diǎn)十分顯著，具體特點(diǎn)如下：
    ⑴構(gòu)件體型大，單體重量重
    ⑵節(jié)點(diǎn)復(fù)雜
    ⑶工期緊
    ⑷焊接量大
    1 工程概況
    國(guó)家體育場(chǎng)位于北京市城府路南側(cè)，奧林匹克公園中心區(qū)內(nèi)。建筑頂面呈鞍型，長(zhǎng)軸為332.3m，短軸為297.3m，最高點(diǎn)高度為68.5m，最低點(diǎn)高度為40.1m。屋蓋中間開洞長(zhǎng)度為185.3m，寬度為127.5m。

    主桁架圍繞屋蓋中間的開口放射型布置，與屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。大跨度屋蓋支撐在周邊的24根桁架柱之上，主桁架盡可能直通或接近直通，并在中部形成由分段直線構(gòu)成的內(nèi)環(huán)。網(wǎng)格大小盡量均勻，上下弦節(jié)點(diǎn)對(duì)齊，具有較好的對(duì)稱性。桁架柱、弦桿與腹桿形成完整的桁架。腹桿軸線與內(nèi)外柱軸線在同一平面內(nèi)，腹桿寬度為1200mm，與菱形內(nèi)柱同寬。在屋蓋上弦采用膜結(jié)構(gòu)作為屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)，屋蓋下弦采用聲學(xué)吊頂。主場(chǎng)看臺(tái)部分采用鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)體系，與大跨度鋼結(jié)構(gòu)完全脫開。

    屋蓋主結(jié)構(gòu)的桿件均為箱型構(gòu)件，其中，主桁架斷面高度為12m，上弦桿截面為1200mm×1200mm～1000mm×1000mm，下弦桿截面為1000mm×1200mm～800mm×800mm，腹桿截面基本為600mm×600mm，上下弦桿與斜腹桿交錯(cuò)穿插。桁架柱為三角形格構(gòu)柱，每根格構(gòu)柱由兩根1200mm×1200mm箱型外柱和一根1200mm×1200mm菱形內(nèi)柱組成，腹桿截面為1000mm×1200mm。桁架柱上端大、下端小，上端與主桁架相連，下端埋入鋼筋混凝土承臺(tái)內(nèi)，并將屋蓋荷載傳至基礎(chǔ)。
    除菱形內(nèi)柱下端（標(biāo)高＋1.500m處）采用了Gs20Mn5V鑄鋼件外，屋蓋主結(jié)構(gòu)主要采用Q345D、Q345GJD及Q460E鋼材，鋼材強(qiáng)度等級(jí)要求較高。
    本工程主結(jié)構(gòu)約為21700t，其中桁架柱約為10500t，主桁架約為11200t。
    2 桁架柱簡(jiǎn)介
    桁架柱是主結(jié)構(gòu)中很重要的一部分，桁架柱的吊裝一方面可以為主桁架的吊裝積累經(jīng)驗(yàn)，另一方面可以通過(guò)對(duì)桁架柱的控制達(dá)到對(duì)整個(gè)主結(jié)構(gòu)質(zhì)量、工期的有效控制。
    由于桁架柱柱截面巨大，單體重量重，單根組合柱的最大重量達(dá)700多噸，根據(jù)鋼柱的重量分布以及吊機(jī)的工況，采用分段安裝的方法。整根桁架柱分為下柱和上柱兩部分，這樣既可以滿足吊機(jī)的工作性能要求，又可以有效的避免由于分段過(guò)多增加高空焊接量。上柱、下柱均在地面胎架上整體拼裝，根據(jù)實(shí)際重量及吊機(jī)情況確定分段位置，兩段之間用卡碼臨時(shí)固定。

    圖3 桁架柱吊裝工藝流程
    3 桁架柱吊裝準(zhǔn)備
    3.1 構(gòu)件驗(yàn)收：
    桁架柱吊裝前要注意桁架柱拼裝進(jìn)度及拼裝質(zhì)量，其中拼裝質(zhì)量主控項(xiàng)目為：構(gòu)件預(yù)拼裝尺寸偏差、構(gòu)件幾何尺寸：
    3.1.1 構(gòu)件預(yù)拼裝尺寸偏差



    3.2 吊機(jī)行走路線、工況的確認(rèn)
    由于桁架柱單重較大，拼裝形態(tài)與吊裝形態(tài)不同，需在吊裝過(guò)程中翻身，為了確保吊裝過(guò)程的安全，故采用雙機(jī)抬吊的方法。由于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地條件有限，大型吊機(jī)對(duì)場(chǎng)地要求較高，所以吊裝前對(duì)吊機(jī)行走路線、工況的確認(rèn)尤為重要，其中主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：
    ⑴吊機(jī)驗(yàn)收與確認(rèn)：包括800t和500t履帶吊的安全驗(yàn)收；吊機(jī)工況、性能、狀態(tài)及油料準(zhǔn)備情況的確認(rèn)工作。
    ⑵現(xiàn)場(chǎng)平面規(guī)劃與清理：包括吊機(jī)站位點(diǎn)與行走路線、桁架柱的臨時(shí)擱置點(diǎn)、800t吊車配重?cái)[放位置的規(guī)劃；吊機(jī)行走、超起配重的回轉(zhuǎn)范圍，桁架柱的臨時(shí)擱置區(qū)域內(nèi)構(gòu)件、工器具、雜物等的清理工作。
    ⑶路基箱鋪設(shè)：500t吊車行走路線路基箱鋪設(shè)長(zhǎng)度需大于42m，順鋪，合計(jì)14塊路基箱，800t吊機(jī)行走路線路基箱鋪設(shè)長(zhǎng)度需大于39.6m，其中吊裝站位點(diǎn)路基箱橫鋪，合計(jì)路基箱20塊。所有路基箱按規(guī)格2.5m×6m考慮，如規(guī)格不符，應(yīng)確保鋪設(shè)長(zhǎng)度。
    ⑷800t吊車配重準(zhǔn)備就位：將所需配重塊放在設(shè)定的懸掛吊籃位置旁邊，以便800t吊車到位后能盡快掛上超起配重。
    ⑸基坑回填與確認(rèn)：確保回填區(qū)域和試壓承載力滿足吊裝要求。
    ⑹吊車站位：吊機(jī)應(yīng)空車在吊車行走路線上來(lái)回走車，以壓實(shí)路面，然后按方案要求進(jìn)行站位。

    3.3 吊耳、吊索具的檢查
    為便于平衡調(diào)節(jié)和空間角度調(diào)節(jié)，桁架柱下柱采用三點(diǎn)吊裝，上柱采用四點(diǎn)吊裝：
    下柱吊裝時(shí)，內(nèi)柱設(shè)置主吊點(diǎn)和圓管吊耳，以便于起吊直立過(guò)程中鋼絲繩的轉(zhuǎn)動(dòng)；兩外柱設(shè)置副吊點(diǎn)和板式吊耳，以便于桁架柱吊裝時(shí)的平衡調(diào)節(jié)。同時(shí)，為保證桁架柱外觀的美觀及起吊后鋼絲繩的受力，外柱上的吊耳均設(shè)置在桁架柱內(nèi)側(cè)，內(nèi)柱上的吊耳設(shè)在菱形內(nèi)柱兩側(cè)。
    上柱吊裝時(shí)的吊點(diǎn)均設(shè)置在外柱彎扭段頂面，靠?jī)?nèi)柱一側(cè)的主吊點(diǎn)盡量靠近外柱內(nèi)側(cè)腹板位置，且主吊繩采用走通方式，以確保主吊繩的受力，避免吊裝過(guò)程中出現(xiàn)三點(diǎn)受力甚至兩點(diǎn)受力的情況及鋼絲繩的滑動(dòng)磨損。為確保受力平衡，加快桁架柱吊裝時(shí)空間角度調(diào)節(jié)速度和精度，副吊繩上設(shè)置滑輪組，并通過(guò)電動(dòng)葫蘆和導(dǎo)向滑輪來(lái)調(diào)節(jié)副吊繩的總體長(zhǎng)度。為加快吊裝進(jìn)度，減少桁架柱吊裝時(shí)臨時(shí)措施用量，桁架柱脫胎和起吊直立過(guò)程中，500t輔助吊車吊點(diǎn)處不單獨(dú)另設(shè)吊耳，采用直接套兜的方式。但為防止鋼絲繩的損壞，內(nèi)柱吊點(diǎn)處需增設(shè)圓弧型鋼板保護(hù)套和防滑鋼管。
    大型構(gòu)件吊裝對(duì)吊耳及吊索具的要求較高，吊裝前首先要檢查吊耳位置是否準(zhǔn)確，吊耳是否按要求在相應(yīng)的位置增設(shè)加勁板，吊耳焊縫是否飽滿，焊縫表面有無(wú)裂紋、氣孔，吊索是否有斷股、冒油的現(xiàn)象，吊索與構(gòu)件接觸位置是否增設(shè)相應(yīng)保護(hù)措施減少摩擦。

    3.4 吊裝前其他準(zhǔn)備工作
    ⑴雜物清理：主要包括影響桁架柱脫胎的拼裝平臺(tái)、拼裝定位板及其它雜物、垃圾的清理。
    ⑵枕木準(zhǔn)備：在桁架柱的臨時(shí)擱置處擺放枕木，擺放位置為外柱節(jié)點(diǎn)位置，共需規(guī)格為0.2m×0.2m×2m的枕木16根。
    ⑶柱腳上口處操作平臺(tái)、安全通道搭設(shè)。
    ⑷穩(wěn)定加固措施：包括內(nèi)部加強(qiáng)支撐、外部剛性拉撐、剛性拉撐包箍、風(fēng)繩耳板的裝設(shè)。

    ⑸安裝用工裝件裝設(shè)：包括柱腳上口和桁架柱下端處的工裝件、定位板。
    ⑹吊索具掛好后，脫胎前要對(duì)桁架柱、拼裝胎架、索具、吊機(jī)等進(jìn)行全方位的檢查，特別要防止拼裝胎架與桁架柱之間的連接未徹底清除。

    ⑺吊裝前，通過(guò)ANSYS建模分析得出桁架柱分段的重心位置并以此確定吊點(diǎn)位置。同時(shí)利用ANSYS軟件進(jìn)行脫胎、起吊直立、吊裝及就位全過(guò)程吊裝工況模擬分析、吊耳設(shè)計(jì)與內(nèi)外部加固支撐設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容包括變形、吊耳應(yīng)力與吊耳設(shè)置處結(jié)構(gòu)本體母材的局部受力驗(yàn)算，確保吊裝過(guò)程中吊索具和結(jié)構(gòu)本體不發(fā)生過(guò)大的變形和破壞。對(duì)于受力不滿足要求的部位，提前進(jìn)行加固處理。

    4 桁架柱吊裝過(guò)程
    4.1 下柱吊裝過(guò)程
    4.1.1 構(gòu)件脫胎
    桁架柱在指定的拼裝位置上整體拼裝好以后，先進(jìn)行驗(yàn)收，并做好臨時(shí)加固措施及其它準(zhǔn)備工作，然后將桁架柱分段從胎架上吊出，臨時(shí)擱放在桁架柱吊裝時(shí)吊機(jī)指定站位點(diǎn)的作業(yè)半徑范圍內(nèi)的地面上。
    桁架柱的脫胎采用800t吊車和500t雙機(jī)抬吊，吊點(diǎn)設(shè)置在桁架柱內(nèi)柱的上下兩端。脫胎時(shí)，先將桁架柱提起，當(dāng)構(gòu)件完全脫離胎架并高過(guò)上節(jié)柱拼裝胎架的最高點(diǎn)后，兩吊車同時(shí)行走，待離開拼裝胎架一定距離后將桁架柱下降到離地面約1m的高度，此時(shí)800t吊車轉(zhuǎn)桿，500t吊車一邊轉(zhuǎn)桿，一邊繼續(xù)行走，直到桁架柱轉(zhuǎn)到指定位置，將桁架柱臨時(shí)擱置在地面上，以準(zhǔn)備下一步的翻身工作。
    脫胎后，桁架柱兩外柱落地位置應(yīng)間隔一定距離墊放枕木，并保持平整，以防止構(gòu)件變形和油漆損壞。構(gòu)件脫胎過(guò)程中要確保構(gòu)件平穩(wěn)提升，兩端吊耳受力均勻，構(gòu)件在空中無(wú)明顯晃動(dòng)，這就要求對(duì)兩臺(tái)吊機(jī)的提升速度加以控制。脫胎時(shí)，先將桁架柱提起，當(dāng)構(gòu)件完全脫離胎架后，吊機(jī)保持靜止，待構(gòu)件穩(wěn)定后兩吊機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)桿進(jìn)行下一步。

    4.1.2 構(gòu)件翻身
    桁架柱翻身是吊裝過(guò)程中難度最大、最重要的一環(huán)，翻身時(shí)，800t吊車和500t輔助吊車分別站在桁架柱兩側(cè)，吊車站好位并掛好鋼絲繩以后，兩臺(tái)吊車同時(shí)起吊，500t輔助吊車將桁架柱分段下端提升1m～2m后停止，800t主吊車則繼續(xù)緩緩提升桁架柱上端同時(shí)向500t吊車方向轉(zhuǎn)桿并起桿。為調(diào)整桁架柱的平衡，使內(nèi)柱成垂直狀態(tài)，在外柱的下端設(shè)置導(dǎo)向滑輪，滑輪組的跑繩通過(guò)導(dǎo)向滑輪連到桁架柱上端的5t電動(dòng)葫蘆上。在最終的調(diào)直過(guò)程中，通過(guò)電動(dòng)葫蘆來(lái)慢慢收短滑輪組的鋼絲繩。當(dāng)桁架柱接近直立時(shí)，500t吊車慢慢松鉤，直到500t吊車不受荷后，拿掉掛在桁架柱上的鋼絲繩，并退出桁架柱翻身的位置，此時(shí)桁架柱重量完全由800t主吊車承擔(dān)，構(gòu)件翻身結(jié)束。


    4.1.3 構(gòu)件就位
    桁架柱翻身直立后，在吊裝就位前，通過(guò)電動(dòng)葫蘆及滑輪組對(duì)桁架柱進(jìn)行調(diào)平，保證內(nèi)柱垂直于地面。然后800t吊車原地轉(zhuǎn)桿到柱腳上方，吊車趴桿使桁架柱內(nèi)柱垂直對(duì)準(zhǔn)柱腳相應(yīng)位置，緩緩落鉤，接近柱腳上端口時(shí)，吊車停止落鉤，再次通過(guò)電動(dòng)葫蘆及滑輪組對(duì)桁架柱進(jìn)行微調(diào)，保證桁架柱內(nèi)、外柱下端口保持水平，并通過(guò)輕微的趴桿或起桿，使桁架柱下端準(zhǔn)確對(duì)位。調(diào)整好以后，桁架柱保持平穩(wěn)時(shí)，800t吊車再緩緩落鉤使桁架柱準(zhǔn)確就位。
    為保證桁架柱與柱腳的精確對(duì)位，在下節(jié)桁架柱與柱腳對(duì)接的位置設(shè)置對(duì)接耳板。桁架柱就位后，進(jìn)行臨時(shí)固定。然后通過(guò)經(jīng)緯儀、全站儀進(jìn)行內(nèi)柱垂直度的控制測(cè)量，及控制點(diǎn)坐標(biāo)的測(cè)量，根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)整，直到符合要求。調(diào)整好以后，按照要求，對(duì)分段桁架柱進(jìn)行拉接，同時(shí)進(jìn)行柱腳與下節(jié)柱之間的焊接，且保證連續(xù)對(duì)稱焊接。

    4.2 上柱吊裝過(guò)程
    桁架柱上柱吊裝工藝及吊裝過(guò)程與下柱一致，在此不做贅述僅通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)圖片圖示上柱吊裝過(guò)程。


    4.3 桁架柱吊裝過(guò)程中需注意的問(wèn)題
    ⑴在桁架柱脫胎、翻身過(guò)程中，每進(jìn)行一步要停頓一段時(shí)間，注意觀察吊耳及其附近的母材是否有開裂、變形現(xiàn)象，確保構(gòu)件始終處于平穩(wěn)狀態(tài)，減少構(gòu)件擺動(dòng)。
    ⑵當(dāng)構(gòu)件翻身開始時(shí)，注意觀察吊機(jī)超起架是否離地，如翻身未完成超起架過(guò)早離地，則需要增加配重，如翻身結(jié)束超起架未離地需要減輕配重。
    ⑶構(gòu)件就位后對(duì)構(gòu)件各點(diǎn)空間坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)測(cè)，如坐標(biāo)無(wú)誤盡快拉設(shè)纜風(fēng)繩，確保構(gòu)件位置的穩(wěn)定性。
    ⑷由于現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹小，在構(gòu)件翻身過(guò)程中要注意兩臺(tái)吊機(jī)相對(duì)位置及其中間距離是否滿足構(gòu)件翻身、立直所需空間，如果空間較小輔助吊機(jī)可以邊轉(zhuǎn)桿邊退車，確保構(gòu)件翻身空間。
    ⑸在構(gòu)件立直過(guò)程中及時(shí)確認(rèn)滑輪組行程是否充足，如滑輪組行程用完需及時(shí)處理。
    ⑹為減少吊機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)、路基箱鋪設(shè)的時(shí)間，要求在確定下柱吊裝吊機(jī)站位點(diǎn)時(shí)充分考慮上柱吊裝時(shí)吊機(jī)站位要求，合理確定吊機(jī)站位點(diǎn)，做到下柱、上柱吊機(jī)一次站位。
    ⑺桁架柱就位時(shí)注意控制各坐標(biāo)點(diǎn)及菱形柱的垂直度，根據(jù)場(chǎng)內(nèi)已建立的控制網(wǎng)，利用經(jīng)緯儀或全站儀測(cè)設(shè)出管口的定位軸線，標(biāo)記鮮明。一根桁架柱需放樣出6條定位線，確保桁架柱各點(diǎn)坐標(biāo)準(zhǔn)確。用經(jīng)緯儀測(cè)量菱形內(nèi)柱的垂直度，確保整根桁架柱的垂直度。
    5 結(jié)束語(yǔ)
    國(guó)家體育場(chǎng)作為2008年奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)設(shè)計(jì)、施工均有其獨(dú)到之處，隨著2008年奧運(yùn)會(huì)的日益臨近該體育場(chǎng)必定成為世人關(guān)注的焦點(diǎn)。該體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)的圓滿完工標(biāo)志著我公司在大型體育場(chǎng)館的建設(shè)領(lǐng)域登上了一個(gè)新的高度，為我公司日后承攬類似工程積累了技術(shù)、施工、質(zhì)量、管理等方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)，成為我公司新的里程碑，也將激勵(lì)我們?yōu)楦玫膭?chuàng)建“寶冶”品牌而努力。
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