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2008年奥运会老山自行车馆双层球面网壳安装

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    汪道金 张艳明 宋昌永 韩光国 苏建成

    【摘 要】 奥运会自行车馆工程是第一个实现钢结构封顶的奥运项目，它设计新颖、结构形式独特，是由网壳结构、环形管桁架和下端铰支的倾斜人字柱组成的组合结构体系，施工中采用分区施工、整体提升和空中合拢的综合施工法，达到了质量好、施工速度快和施工成本低的理想效果。本文主要介绍了大跨度钢结构网壳施工的重点、难点、安装方案的优化以及方案实施的工艺控制等要点。
    【关键词】逐圈外扩、逐步提升 高空原位散拼 空中合拢
    一、工程概况
    2008年奥运会老山自行车馆工程位于北京市石景山区老山西街15号，总建筑面积：32250?，局部有一层地下室，地上三层，下部为钢筋混凝土结构，上部屋盖为双层球面焊接球网壳结构，圆形屋盖水平投影直径为149.536m，矢高为14.69m，网壳厚度为2.8m，顶标高为35.29m，整个屋盖系统由24组向外倾斜15°、高度10.35m的人字柱支撑，人字柱下端通过铸钢支座与混凝土结构铰接连接。铸钢支座起始标高6.95米，人字柱柱顶支撑跨度为133.06m，柱脚周边直径为126.40m。该网壳是目前我国跨度最大的双层球面网壳结构之一。其效果图如图2所示。
    施工中为便于区分，将整个屋盖系统分为A、B、C三个区（如图3所示），其中：
    A区为焊接球网壳部分，钢材材质为Q345B，主要构件为焊接空心球和无缝钢管（直缝焊管）。焊接球规格从D300－D600共六种规格，其中D450以上的焊接球采用加肋球。无缝钢管（直缝焊管）规格从Φ114－Φ203共五种规格。A区网壳总重量为570吨。
    B区为环形管桁架系统，钢材材质为Q345C，是由一圈Φ1200钢管、三圈Φ500钢管及Φ245腹杆组成的封闭环形相贯线节点连接的管桁架结构， 用于抵抗网壳的水平推力，传递网壳的竖向荷载，与A区网壳共同组成屋盖系统，B区环梁系统总重量为780吨。
    C区为人字柱和铸钢支座。人字柱共24组，每组由两根Φ1000×18的钢管相贯焊接而成，单根长度为12m。铸钢支座共24套，由于我国的铸钢节点标准尚未出台，本工程铸钢支座按德国标准DIN17182执行，材质为GS16Mn5N。每套铸钢支座总重量为8.8吨，由四个部件组成，各部件连接部位需要采用精密机加工。铸钢支座总重量200吨，人字柱总重量260吨。钢结构工程总用钢量为1810吨。


    二、施工重点和难点
    1、铸钢支座单件重量达8.8吨，为球铰可转动体系，需要在向外倾斜15°的预埋件上一次性安装就位，安装调整和定位难度大。
    2、人字柱每组重量达10.6吨，外形尺寸19m×12m，需要在倾斜状态下实现空中定位，同时要实现与铸钢支座的精确对接，安装精度要求高。
    3、环梁结构复杂，构件数量多，安装精度控制不好将造成合拢困难。
    4、网壳部分覆盖直径达133.06米，网壳施工时混凝土看台已施工完毕，施工场地受很大限制，网壳施工方案的选择及安装精度控制直接关系到工程实施的安全性、经济性乃至整体钢结构安装的成败。
    5、现场焊接工作量大，焊缝多为全位置焊接，大量的焊接工作在冬施条件下完成，焊接工艺要求高。
    三、施工方案的确定
    根据本工程设计新颖、结构形式独特和施工难点多的特点。施工前，先后对以下几种可能实施的方案进行了详细对比和认真分析：
    1、搭设满堂红承重脚手架，网壳及环梁进行高空原位散拼，屋盖成型后安装铸钢支座和人字柱。该方案技术难度低，易于整体控制。但需耗用大量的措施费用，人字柱就位难度大，整体卸载工艺复杂。
    2、网壳中心部分采用计算机控制液压系统整体提升，外围部分与环梁沿环向分16片在地面胎具上拼装，用大吨位履带吊吊装就位。吊装前铸钢支座和人字柱提前安装就位。该方案工艺先进，科技含量高，但分块尺寸超长超宽，现场受干扰因素多，场地条件很难满足要求。
    3、网壳采用逐圈外扩、逐步提升的方法就位，环梁在地面拼装，整体提升就位，铸钢支座和人字柱安装后，网壳与环梁实现空中对接。该方案工艺先进，措施费用低，但由于混凝土结构在7米处有外挑板，外环梁整体提升无法实现。
    4、网壳采用逐圈外扩、逐步提升的方法就位，安装铸钢支座和人字柱后，环梁沿环向分24段在地面组拼后用大吨位汽车吊吊装。该方案可直接利用人字柱作为支撑点，受力合理，但环梁的高空对接口多，组成环梁的钢管刚度大，微调困难。
    5、网壳采用逐圈外扩、逐步提升的方法就位，环梁在7米平台处拼装后整体提升，安装铸钢支座和人字柱后，网壳与环梁在空中合拢。该方案工艺先进，可以有效解决7米平台对环梁提升的干扰，但环梁在悬吊状态下安装人字柱存在一定的安全隐患，环梁与网壳在高空姿态就位难度大。
    6、网壳采用逐圈外扩、逐步提升的方法就位，铸钢支座和人字柱用汽车吊吊装后搭设操作脚手架，环梁采用高空原位散拼法安装后与网壳合拢。该方案措施费用低，实施方便，安装精度易于控制。
    通过以上六种方案对比分析，在经过三次专家论证会，综合考虑安全性、经济性、施工难度等指标后决定采用第六种方案施工。
    四、方案的实施
    1、铸钢支座安装
    铸钢支座每套重量8.8吨，由四个部件组成，为球铰可转动体系，安装在标高为7米，沿径向向外倾斜15°的预埋件上。安装质量和精度直接影响到整个屋盖体系的安装精度。安装工艺要点如下：
    ①用全站仪在预埋件上放出铸钢支座中心控制点和控制轴线，根据控制轴线放出控制边线并焊接定位板。
    ②将铸钢支座各部件在地面组成整体，用50吨汽车吊吊装就位，通过定位板精确调整铸钢底座位置后与预埋件点焊定位。
    ③用千斤顶通过吊线的方法调整铸件1的位置后用木方支垫。


    2、人字柱安装
    人字柱由两根长度为12米，规格为Φ1000×18的钢管相贯连接而成，每组重量10.6吨。下端与铸钢支座插接后焊接连接，上端与Φ1200环梁相贯焊接。安装时需要在倾斜状态下实现空中定位，安装工艺要点如下：
    ①在地面定型胎具上组对人字柱，用套模检查相贯口，焊接相贯焊缝。
    ②精确测定定位控制点并做好控制标记。
    ③用50吨汽车吊吊装人字柱，下部与铸钢支座插接连接，上部用钢丝绳加倒链临时固定。
    ④用经纬仪校正地面投影点与人字柱控制标记后锁紧临时拉索，焊接人字柱与铸钢支座对接焊缝。

    3、环梁安装
    环梁系统由一圈Φ1200钢管和三圈Φ500钢管通过Φ245腹杆连接而成，覆盖直径达150米，横截面宽度为11.1米，高度6.6米，体形巨大、总重量达764t，是本工程安装的一大难点。施工中采用高空原位散拼、逐圈逐段控制的方法保证了巨型环梁的精确就位。安装工艺要点如下：
    ①将每一圈环形钢管通过加工和现场组拼分解为24个单元，单元长度从16.5米到19.5米，对接口位置避开节点区。
    ②利用安装好的人字柱为支撑点，以每两组人字柱之间设置的H型钢为临时支撑点，用两台50吨汽车吊逐段吊装Φ1200钢管，用水准仪、全站仪逐段控制每段的安装精度，直至Φ1200钢管闭合。此时，人字柱与Φ1200钢管已形成稳定的结构体系。
    ③在地面胎具上组焊中环Φ500钢管与竖向腹杆，逐段吊装，与Φ1200钢管连接，用全站仪配合吊线法精确控制Φ500钢管与Φ1200钢管的同心度并用缆风绳固定，焊接竖腹杆与Φ1200钢管相贯口。
    ④安装①②号腹杆并通过①②号腹杆逐段定位安装内环Φ500钢管，用全站仪复核。
    ⑤在地面胎具上组拼③④号腹杆成四角锥后整体吊装，通过③④号腹杆逐段定位安装外环Φ500钢管直至闭合。为节约措施费用，外环安装采用轨道滑移式操作平台。



    4、网壳安装
    A区网壳覆盖直径133.06米，正放四角锥焊接球节点，网格尺寸约4米，总重量570吨。施工中采用逐圈外扩、逐步提升的方法。提升系统采用由绞磨牵引的独脚拔杆系统。首先，在高度5.0米混凝土平台上放出中心控制点和控制轴线，砌设支撑砖墩，由中心开始拼装网壳，逐圈向外扩散，当周围无法向外继续拼装时开始提升，每次提升高度满足外扩2-3圈的要求，依次循环。提升拔杆系统由内环、中环、外环三圈拔杆组成。其中，内环共设置8根拔杆，采用Φ325×8钢管，布置在直径约40米的圆环上，提升网壳最大直径范围为72米，重量190吨；中环共设置14根拔杆，采用Φ450×10钢管，布置在直径约70米的圆环上，提升网壳最大直径范围为103米，重量400吨；外环共设置24根拔杆，采用Φ450×10和Φ480×8钢管，布置在直径约90米的圆环上，提升网壳最大直径范围为124米，重量560吨。随着网壳的外扩拼装，三圈拔杆以接力的方式完成网壳的提升任务。内环、中环拔杆分别在中环、外环拔杆完全受力后退出工作并拆除，整个网壳共分六次完成提升就位。工艺控制要点如下：
    ①在详图设计时预留杆件焊接收缩余量，杆件下料时严格控制下料尺寸。
    ②对网壳在提升过程中各种工况进行了验算，对部分薄弱杆件进行了加强，杆件应力比控制在0.7以下。
    ③对拔杆系统进行了严格评估和验算，加强了过程检查。

    ④应用应力应变监测技术对网壳的部分杆件和拔杆系统进行了应力监测控制。
    ⑤每次提升后对网壳的标高、平面位移、扭转、整体尺寸进行测量复核并及时纠偏调整。


    5、网壳与环梁的空中合拢
    网壳部分与环梁系统作为两个独立的区域各自独立施工，环梁系统施工完毕后自身已形成稳定的结构体系，网壳提升到位后，在高空悬吊状态下实现与环梁系统的空中对接合拢，完成整个屋盖结构安装。空中合拢是网壳安装的最后一道工序，也是本工程又一大施工难点。工艺控制要点如下：
    ①以网壳最外一圈下弦球下皮标高为控制基准，通过绞磨微调到设计位置。
    ②以环梁系统为拉结点，以线坠为控制手段，用倒链微调网壳的平面位移和扭转位移。
    ③以两根相互垂直的轴线与环梁的四个交点为起始合拢点，通过散拼方法开始网壳与环梁的合拢，顺序推进，焊接工作顺序跟进，完成网壳的最终合拢。
    6、焊接质量控制
    本工程为全焊接结构，焊接工作量大，焊缝数量多，大部分焊口为坡口全熔透焊缝，钢材材质从Q345B到Q345C到德国标准GS16Mn5N，焊接位置几乎全部为全位置焊接，大量的焊接工作在冬施条件下完成，工艺难度大。施工中，对以下环节进行了控制：
    ①所有焊工进场后全部进行了有障碍全位置焊接考试，考核合格方可上岗。
    ②进行了Q345B与Q345C及Q345C与GS16Mn5N钢材的焊接工艺评定试验，用于指导现场焊接。
    ③在哈尔滨进行了－10℃条件下的低温焊接工艺评定试验，用于指导冬施条件下现场焊接。
    ④冬施前对所有焊工进行了适应性培训和考核。
    ⑤加大了焊缝检测比例，对所有一级及二级全熔透焊缝全部进行了100％超声波探伤。
    五、总结
    奥运会老山自行车馆钢结构安装从2005年8月开始准备，历经多次方案研讨，最终于2005年10月20日施工方案通过专家论证，06年1月20日完成屋顶网壳结构合拢，并实现结构封顶，成为第一个钢结构封顶的奥运项目。该工程安装精度高，质量控制到位，在长城杯专家组、钢结构金奖专家组及建委领导的多次检查评比中获得了较高评价。就本工程的成功实施，总结如下：
    1、针对本工程结构形式独特施工难点多、造价低等特点，施工前对各种有可能实现的方案进行了详细对比分析，投入了较多的时间和精力，保证了方案的科学性、先进性和可行性，保证了后续施工的顺利进行。
    2、先安装铸钢支座和人字柱，以人字柱作为环梁安装的支撑点，逐圈逐段安装控制环梁的方案保证了环梁的安装精度，增加了施工安全性，同时省去了大量的承重脚手架的搭设（节约脚手管约30万延米）降低了施工成本。
    3、网壳施工采用逐圈外扩、逐步提升的方案充分利用了网壳本身的外形特点，减少了高空作业，降低了措施费和人工费。
    4、以人力推绞磨为动力，以拔杆群相互拉结为承重机构，以滑轮组为牵引装置的整体提升系统在本工程中的成功应用，为大跨度结构整体提升技术在工程实践中的应用提供了新的思路，对今后类似工程施工具有一定的借鉴和指导意义。
    5、施工前对各种工况的结构验算以及施工中应力应变监测技术的应用为最优方案的选择和方案的成功、安全实施提供了理论依据和科学保证
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