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        國家體育場(鳥巢)工程鋼結(jié)構(gòu)空間巨型桁架安裝工藝
        
                                  
                    
        作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    					
        
					時間：2009-12-22 20:26:03					[收藏]
        
               
        
                
        				
        				
        

               
        
               
          
				封葉劍 魏義進(jìn) 劉子祥
          
（北京城建精工鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，北京100012）
          

          
提  要：國家體育場鋼結(jié)構(gòu)安裝工程，主桁架分項(xiàng)根據(jù)安裝實(shí)際情況被分成空間立體桁架和平面桁架兩種吊裝單元?？臻g立體桁架的多對口對接、平面桁架的翻身過程穩(wěn)定性是該分項(xiàng)工程的重難點(diǎn)。
          
關(guān)鍵詞：鳥巢鋼結(jié)構(gòu)、空間巨型桁架、龍門吊、三機(jī)抬吊、安裝工藝
          
一、工程概況
          
國家體育場位于北京市城府路南側(cè)，奧林匹克公園中心區(qū)內(nèi)，是北京2008年奧運(yùn)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(jié)構(gòu)相對標(biāo)高為42.246m，東西跨度結(jié)構(gòu)相對標(biāo)高為69.900m，屋蓋中間開洞長度為185.3m，寬度為127.5m。主桁架圍繞屋蓋中間的開口放射形布置，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)。鋼結(jié)構(gòu)總量約4.6萬噸，構(gòu)件截面均為箱形截面，其空間位置復(fù)雜多邊，形體宏大、美觀。
          


          
國家體育場主桁架共有48榀，分別由外圍24榀桁架柱開始向中間延伸，在中間形成橢圓形的環(huán)。主桁架總用鋼量約14000噸，桁架柱約17020噸，主桁架與桁架柱一起共同形成如圖1.2所示的主要承力體系。主桁架的軸線高度為12m，上下弦及腹桿均為箱形截面構(gòu)件。
          


          
目前工程主結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工制作、拼裝已經(jīng)完成，現(xiàn)場主結(jié)構(gòu)安裝接近尾聲，鋼結(jié)構(gòu)安裝重量已經(jīng)超過四分之三，其中桁架柱已安裝完成，鳥巢形體初現(xiàn)端倪。
          
二、主桁架分段及設(shè)備選擇
          
打垮度空間巨型桁架的吊裝分段很重要，不僅要考慮各分段重量、安裝作業(yè)半徑和國內(nèi)、現(xiàn)有吊機(jī)資源的匹配，同時各分段在支撐塔架上的臨時固定及相互搭接各分段間吊裝順序的確定同樣是施工的關(guān)鍵。根據(jù)支撐塔架的設(shè)置及主桁架的空間交叉情況，將屋蓋主桁架共分成182吊。其中，內(nèi)環(huán)吊裝單元共96吊，空間桁架16吊，平面桁架80吊；外環(huán)吊裝單元共86吊，均為平面桁架。
          
綜合考慮體育場主桁架大型構(gòu)件的吊裝，主桁架最終選用一臺CC4800型800T履帶吊和CC2800型600T履帶吊吊裝。800T履帶吊在場外吊裝外環(huán)主桁架，600T履帶吊在場內(nèi)吊裝內(nèi)環(huán)主桁架。外環(huán)主桁架在南北向安裝高度相對較低，作業(yè)半徑較小，但箱形構(gòu)件的管壁厚，構(gòu)件吊裝單元重，所以800T履帶吊采用主、輔臂短，主臂仰角大的塔式工況；而處于東西向的外環(huán)主桁架安裝高度大，作業(yè)半徑大，構(gòu)成桁架的箱形截面壁厚薄，構(gòu)件吊裝單元輕，選用主、輔臂長，仰角小的塔式工況。內(nèi)環(huán)主桁架除了存在與外環(huán)主桁架相同的吊裝分部情況外，還有大量的空間立體桁架的吊裝。由于所有的空間立體桁架均處在最內(nèi)環(huán)，作業(yè)半徑小，也不用跨越障礙，同時構(gòu)件重，起重要求高，所以選用帶超起的主臂工況，而其他的內(nèi)環(huán)之桁架同樣遵循了外環(huán)主桁架一樣的工況選用情況，選用兩種帶超起的塔式工況。
          
    外環(huán)南北向最重的吊裝單元重140噸，安裝高度為50m，最大作業(yè)半徑為42m；外環(huán)東西向最重的吊裝單元重90噸，安裝高度為64m，最大作業(yè)半徑64m。內(nèi)環(huán)所有空間立體桁架最重為250噸，安裝高度為46m，最大作業(yè)半徑為38m；南北向最重的吊裝單元重140噸，安裝高度為44m，最大作業(yè)半徑為48m；內(nèi)環(huán)東西向最重的吊裝單元重120噸，安裝高度為58m，最大作業(yè)半徑38m。根據(jù)此，內(nèi)外環(huán)800T、600T履帶吊的工況選用如下表所示：
          


          


          


          
三、吊點(diǎn)設(shè)置、吊耳設(shè)計及索具選擇
          
（一）空間巨型桁架安裝的吊點(diǎn)、吊耳及索具
          
空間桁架最重的分段為S5，其凈重為268T，空間桁架的拼裝姿態(tài)與就位安裝時的姿態(tài)相同。根據(jù)空間立體桁架的分段情況，立體桁架的吊裝采用三點(diǎn)吊裝，一點(diǎn)用定長繩圈，其他兩點(diǎn)采用滑輪組。構(gòu)件從拼裝的胎架上脫胎后，由于加工制作、安裝等各種累積誤差，姿態(tài)與最終安裝就位的姿態(tài)略有差別，采用滑輪組可將桁架在地面精確地調(diào)整到安裝就位的姿態(tài)，將大量地高空校正作業(yè)在地面完成。三個吊點(diǎn)均設(shè)置在桁架腹桿K型交叉節(jié)點(diǎn)勁板對應(yīng)的上表面，同時，三吊點(diǎn)的平面投影連線形成的三角形將重心包含在內(nèi)。主吊點(diǎn)設(shè)置在受力最大的吊點(diǎn)上，輔吊點(diǎn)于其他兩個受力相對較小的吊點(diǎn)。
          


          
主桁架的吊裝不存在翻身，采用板式吊耳能滿足。為了避免吊耳平面外受力，偏移吊耳在上弦平面的角度，使吊耳板平面與相應(yīng)的吊繩在同一個平面內(nèi)。同時，在吊繩受力大或桁架上弦上翼緣板厚薄的地方，為了減小上翼緣板面的變形，將吊耳的受力由上弦上翼緣順利傳到上弦腹板，在吊耳相應(yīng)的翼緣位置焊接L形刀板堪固。這樣，既加強(qiáng)了焊接吊耳的上翼緣板的面外剛度，又很好的將力傳至腹板平面。
          


          


          
（二）平面桁架安裝吊點(diǎn)、吊耳及索具
          
平面桁架采取平面拼裝,胎架翻身立直工藝。平面桁架的主吊點(diǎn)除了要考慮就位時對吊點(diǎn)、繩索具的要求外，還需兼顧脫胎、翻身時的工藝要求。主桁架在龍門吊底下拼裝，因此，翻身采用兩臺龍門吊輔助進(jìn)行。采用龍門吊翻身溜尾重點(diǎn)的是控制龍門吊的平面外受力及兩臺龍門吊均勻受力。因此，龍門吊兩吊點(diǎn)需設(shè)置為到過重心且垂直上下弦軸線的垂直線等距離的兩點(diǎn)。800T的主副吊點(diǎn)根據(jù)桁架就位時的姿態(tài)設(shè)置，保證就位時主副吊繩與大地垂線的夾角大致相等，同時吊點(diǎn)盡量設(shè)置在主桁架節(jié)點(diǎn)區(qū)域，或非節(jié)點(diǎn)區(qū)域但有勁板的地方。但吊耳的布置除考慮就位時受力狀態(tài)外，重點(diǎn)要考慮在起扳過程中索力對吊耳平面外受力的情況。根據(jù)構(gòu)件脫胎、起扳、就位等各個工序中吊耳平面內(nèi)外受力的綜合情況分析、計算得出吊耳合理布置位置及平面傾斜角度。
          


          
四、主桁架吊裝工藝
          
根據(jù)主桁架的分段及現(xiàn)場場地使用情況，空間主桁架采用立拼、平面桁架采用臥拼的拼裝方式。主桁架吊裝工藝分空間和平面桁架來介紹采用的相應(yīng)對策：
          
（一）空間桁架吊裝工藝
          
空間桁架雖然吊裝噸位較平面桁架大，但其采用立拼方式拼裝，脫胎后不用起扳、回直直接調(diào)平就位，吊裝工藝相對平面桁架簡單，空間桁架主要是脫胎和調(diào)平及其過程中的主要控制措施：
          
（1）空間桁架噸位大，分擔(dān)到滑輪組上的受力也大，如圖3.4所示，采用多門滑輪組在調(diào)平過程跑繩行程長。傳統(tǒng)構(gòu)件姿態(tài)調(diào)節(jié)工具采用葫蘆調(diào)整，速度慢、要換行程次數(shù)多。本工程采用小型汽車吊來抽滑輪組跑繩，由于汽車吊高，整體調(diào)整過程更換行程的次數(shù)少，抽繩快，效率高。
          
（二）平面桁架吊裝工藝
          
平面桁架雖然吊裝噸位較空間桁架小，但其采用臥拼方式在龍門吊下拼裝，脫胎同時起扳、回直，而后在龍門吊拼裝時吊點(diǎn)場地外調(diào)平再提升就位，吊裝工藝相對復(fù)雜，平面桁架吊裝主要是脫胎、起扳和調(diào)平等施工工序及其過程中的主要控制措施：
          
（1）脫胎時800T履帶吊提升主桁架的上弦，兩臺龍門吊提下弦三機(jī)抬吊。三機(jī)抬吊三吊點(diǎn)平面投影范圍包含重心，保證三點(diǎn)同時受力，如圖3.5所示；同時，過重心垂直構(gòu)件上下弦的輔助線到兩龍門吊點(diǎn)的距離相等，確保兩龍門吊均載，且便于在起扳過程中監(jiān)測、控制。
          
（2）脫胎后起扳，起扳時為監(jiān)控桁架下弦兩頭均衡提升，在下弦吊掛兩盤卷尺監(jiān)測下弦離地距離。當(dāng)兩頭離地距離不等時，調(diào)整兩龍門吊吊鉤使構(gòu)件兩端平衡。由于龍門吊鉤下沒有測量構(gòu)件重量的儀器，這里通過控制兩吊點(diǎn)至重心線的垂直距離及起扳過程中兩點(diǎn)平衡，確保兩龍門吊均勻受力。
          
（3）構(gòu)件起扳調(diào)平后，吊車開行至就位點(diǎn)就位，為合理使用大型吊機(jī)，采用卡馬板就位的方式就位。根據(jù)吊裝構(gòu)件的長度、重量、重心位置，計算上下弦斷口卡馬板臨時固定受力需要的馬板規(guī)格、長度、焊縫長度。先焊接上下弦上表面卡馬板，構(gòu)架到達(dá)安裝就位位置，校正合格將其他三面卡馬板焊接完畢，吊機(jī)即可松鉤。
          


          
（三）構(gòu)件的調(diào)平
          
當(dāng)空間主桁架脫胎或平面桁架完全立直，構(gòu)件所處于的狀態(tài)，同實(shí)際需要安裝就位的姿態(tài)還存在一定的角度。主要表現(xiàn)為，桁架各安裝對口點(diǎn)的相對高差不符合設(shè)計的最終相對高差。通過調(diào)整動滑輪組的長度，將構(gòu)件各安裝斷口的相對高差調(diào)整到設(shè)計要求，構(gòu)件調(diào)平達(dá)到合格，就位后再根據(jù)各對口已安裝的構(gòu)件牛腿及設(shè)計標(biāo)高精確調(diào)整構(gòu)件的就位位置。構(gòu)件地面調(diào)平的目的是將大量的高空調(diào)整、校正工作在地面來完成。
          
五、主桁架安裝對口控制
          
有余鳥巢結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加之加工制作、安裝等各種偏差的因素，造成構(gòu)件對口錯邊及焊縫間隙及往往達(dá)不到設(shè)計和規(guī)范要求。為此，在這兩點(diǎn)問題上，通過大量的研究分析，提出如下兩點(diǎn)方案：
          
（一）錯口偏差處理方法
          
國家體育場鋼結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件均為全焊接箱形構(gòu)件，閉口箱形構(gòu)件在安裝對口時處理困難，而傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)開口構(gòu)件的安裝對接是有經(jīng)驗(yàn)，可以借鑒的。根據(jù)這一思想，在作安裝方案時考慮將閉口構(gòu)件的安裝向開口構(gòu)件轉(zhuǎn)化。如圖5.1所示，在構(gòu)件加工制作時，對所有的高空對接口處的后裝箱形構(gòu)件的組立焊縫預(yù)留300mm長不焊接，作為后續(xù)安裝對口的預(yù)留段，便于調(diào)整對口處的錯邊調(diào)節(jié)。待錯邊調(diào)整合格后，先將構(gòu)件的組立焊縫焊接完畢，再來焊接對口焊縫。
          


          
對于錯口位置距離構(gòu)件節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，可調(diào)節(jié)的自由段比較長的構(gòu)件，在自由段范圍內(nèi)可調(diào)的，采用千斤頂或火工矯正方法，以滿足錯口偏差的施工驗(yàn)收要求，同時滿足設(shè)計有關(guān)建筑外形平緩過渡的要求。
          
對于受到安裝接口和節(jié)點(diǎn)限制，錯口位置距離構(gòu)件節(jié)點(diǎn)較近，可調(diào)的自由段長度較小構(gòu)件，在千斤頂及火工矯正方法無法滿足要求時，采取換板件或后裝段的處理方法保證滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計建筑外形的要求。換板或后裝段的具體做法應(yīng)針對不同錯口的具體情況作具體的洽商變更處理。
          
（二）間隙偏差處理方法
          
主結(jié)構(gòu)板厚集中在20-40mm，結(jié)合本項(xiàng)目施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》（JGJ81-2002）關(guān)于焊縫間隙小于2倍板厚的要求，間隙偏差采用如下兩種方案處理：
          
（1）間隙在35mm以內(nèi)（小于1.75板厚）的焊縫，可以用焊縫堆焊的方式減小焊縫間隙。
          
（2）間隙大于35mm，采用換板件或后裝段的方式進(jìn)行具體的洽商變更處
          
為了驗(yàn)證上述寬焊縫間隙條件下焊縫綜合力學(xué)指標(biāo)，施工前進(jìn)行了相關(guān)的堆焊工藝試驗(yàn)、寬間隙焊縫焊接工藝評定試驗(yàn)以及焊接變形試驗(yàn)。
          
試驗(yàn)結(jié)果表明：
          
（1）正常間隙和寬間隙焊縫焊接試板的焊接變形相比相差不大，說明寬間隙焊縫對焊接變形影響很小，相應(yīng)的對焊接應(yīng)力影響也應(yīng)很?。?br />
（2）所進(jìn)行的15組焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果全部合格，說明寬間隙焊縫焊接接頭的力學(xué)性能能滿足規(guī)范和設(shè)計要求；
          
（3）按照試驗(yàn)中采取的堆焊工藝??“在焊縫一側(cè)堆焊以減小焊縫間隙到正常間隙后，再進(jìn)行正式焊接”，是可以保證焊縫接頭的力學(xué)性能的，堆焊工藝是可行的。
          
六、總結(jié)
          
國家體育場主桁架的安裝難度主要表現(xiàn)在：
          
1、屋頂主桁架整體支撐點(diǎn)的布置選擇，吊裝單元分段；
          
2、空間主桁架的吊點(diǎn)、吊耳布置，索具選擇；
          
3、平面主桁架采用龍門吊輔助翻身的操作工藝；
          
4、主桁架安裝對口的處理。
          
通過對以上各個難點(diǎn)的逐個研究分析，找出相應(yīng)的對策，并以科學(xué)的試驗(yàn)為依據(jù)，國家體育場的主結(jié)構(gòu)安裝已經(jīng)取得了工期、質(zhì)量、安全上的全面成功，這也給同類工程提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。
          
參考文獻(xiàn)
          
（1）何焯，設(shè)備起重吊裝工程便攜手冊，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.1；
          
（2）朱學(xué)敏，起重機(jī)械，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.6；
          
（3）中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會，建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊，北京：中國計劃出版社；
          
          
		  
          				
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