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国家体育场(鸟巢)工程钢结构空间巨型桁架安装工艺

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    封叶剑 魏义进 刘子祥
    （北京城建精工钢结构工程有限公司，北京100012）

    提 要：国家体育场钢结构安装工程，主桁架分项根据安装实际情况被分成空间立体桁架和平面桁架两种吊装单元。空间立体桁架的多对口对接、平面桁架的翻身过程稳定性是该分项工程的重难点。
    关键词：鸟巢钢结构、空间巨型桁架、龙门吊、三机抬吊、安装工艺
    一、工程概况
    国家体育场位于北京市城府路南侧，奥林匹克公园中心区内，是北京2008年奥运会的主体育场。建筑顶面呈马鞍型，长轴为332.3m，短轴为297.3m，南北跨度结构相对标高为42.246m，东西跨度结构相对标高为69.900m，屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，与屋面及立面的次结构一起形成了"鸟巢"的特殊建筑造型。大跨度屋盖支撑在周边的24根桁架柱之上。主桁架尽可能直通或接近直通，并在中部形成由分段直线构成的内环。钢结构总量约4.6万吨，构件截面均为箱形截面，其空间位置复杂多边，形体宏大、美观。

    国家体育场主桁架共有48榀，分别由外围24榀桁架柱开始向中间延伸，在中间形成椭圆形的环。主桁架总用钢量约14000吨，桁架柱约17020吨，主桁架与桁架柱一起共同形成如图1.2所示的主要承力体系。主桁架的轴线高度为12m，上下弦及腹杆均为箱形截面构件。

    目前工程主结构构件加工制作、拼装已经完成，现场主结构安装接近尾声，钢结构安装重量已经超过四分之三，其中桁架柱已安装完成，鸟巢形体初现端倪。
    二、主桁架分段及设备选择
    打垮度空间巨型桁架的吊装分段很重要，不仅要考虑各分段重量、安装作业半径和国内、现有吊机资源的匹配，同时各分段在支撑塔架上的临时固定及相互搭接各分段间吊装顺序的确定同样是施工的关键。根据支撑塔架的设置及主桁架的空间交叉情况，将屋盖主桁架共分成182吊。其中，内环吊装单元共96吊，空间桁架16吊，平面桁架80吊；外环吊装单元共86吊，均为平面桁架。
    综合考虑体育场主桁架大型构件的吊装，主桁架最终选用一台CC4800型800T履带吊和CC2800型600T履带吊吊装。800T履带吊在场外吊装外环主桁架，600T履带吊在场内吊装内环主桁架。外环主桁架在南北向安装高度相对较低，作业半径较小，但箱形构件的管壁厚，构件吊装单元重，所以800T履带吊采用主、辅臂短，主臂仰角大的塔式工况；而处于东西向的外环主桁架安装高度大，作业半径大，构成桁架的箱形截面壁厚薄，构件吊装单元轻，选用主、辅臂长，仰角小的塔式工况。内环主桁架除了存在与外环主桁架相同的吊装分部情况外，还有大量的空间立体桁架的吊装。由于所有的空间立体桁架均处在最内环，作业半径小，也不用跨越障碍，同时构件重，起重要求高，所以选用带超起的主臂工况，而其他的内环之桁架同样遵循了外环主桁架一样的工况选用情况，选用两种带超起的塔式工况。
    外环南北向最重的吊装单元重140吨，安装高度为50m，最大作业半径为42m；外环东西向最重的吊装单元重90吨，安装高度为64m，最大作业半径64m。内环所有空间立体桁架最重为250吨，安装高度为46m，最大作业半径为38m；南北向最重的吊装单元重140吨，安装高度为44m，最大作业半径为48m；内环东西向最重的吊装单元重120吨，安装高度为58m，最大作业半径38m。根据此，内外环800T、600T履带吊的工况选用如下表所示：



    三、吊点设置、吊耳设计及索具选择
    （一）空间巨型桁架安装的吊点、吊耳及索具
    空间桁架最重的分段为S5，其净重为268T，空间桁架的拼装姿态与就位安装时的姿态相同。根据空间立体桁架的分段情况，立体桁架的吊装采用三点吊装，一点用定长绳圈，其他两点采用滑轮组。构件从拼装的胎架上脱胎后，由于加工制作、安装等各种累积误差，姿态与最终安装就位的姿态略有差别，采用滑轮组可将桁架在地面精确地调整到安装就位的姿态，将大量地高空校正作业在地面完成。三个吊点均设置在桁架腹杆K型交叉节点劲板对应的上表面，同时，三吊点的平面投影连线形成的三角形将重心包含在内。主吊点设置在受力最大的吊点上，辅吊点于其他两个受力相对较小的吊点。

    主桁架的吊装不存在翻身，采用板式吊耳能满足。为了避免吊耳平面外受力，偏移吊耳在上弦平面的角度，使吊耳板平面与相应的吊绳在同一个平面内。同时，在吊绳受力大或桁架上弦上翼缘板厚薄的地方，为了减小上翼缘板面的变形，将吊耳的受力由上弦上翼缘顺利传到上弦腹板，在吊耳相应的翼缘位置焊接L形刀板堪固。这样，既加强了焊接吊耳的上翼缘板的面外刚度，又很好的将力传至腹板平面。


    （二）平面桁架安装吊点、吊耳及索具
    平面桁架采取平面拼装,胎架翻身立直工艺。平面桁架的主吊点除了要考虑就位时对吊点、绳索具的要求外，还需兼顾脱胎、翻身时的工艺要求。主桁架在龙门吊底下拼装，因此，翻身采用两台龙门吊辅助进行。采用龙门吊翻身溜尾重点的是控制龙门吊的平面外受力及两台龙门吊均匀受力。因此，龙门吊两吊点需设置为到过重心且垂直上下弦轴线的垂直线等距离的两点。800T的主副吊点根据桁架就位时的姿态设置，保证就位时主副吊绳与大地垂线的夹角大致相等，同时吊点尽量设置在主桁架节点区域，或非节点区域但有劲板的地方。但吊耳的布置除考虑就位时受力状态外，重点要考虑在起扳过程中索力对吊耳平面外受力的情况。根据构件脱胎、起扳、就位等各个工序中吊耳平面内外受力的综合情况分析、计算得出吊耳合理布置位置及平面倾斜角度。

    四、主桁架吊装工艺
    根据主桁架的分段及现场场地使用情况，空间主桁架采用立拼、平面桁架采用卧拼的拼装方式。主桁架吊装工艺分空间和平面桁架来介绍采用的相应对策：
    （一）空间桁架吊装工艺
    空间桁架虽然吊装吨位较平面桁架大，但其采用立拼方式拼装，脱胎后不用起扳、回直直接调平就位，吊装工艺相对平面桁架简单，空间桁架主要是脱胎和调平及其过程中的主要控制措施：
    （1）空间桁架吨位大，分担到滑轮组上的受力也大，如图3.4所示，采用多门滑轮组在调平过程跑绳行程长。传统构件姿态调节工具采用葫芦调整，速度慢、要换行程次数多。本工程采用小型汽车吊来抽滑轮组跑绳，由于汽车吊高，整体调整过程更换行程的次数少，抽绳快，效率高。
    （二）平面桁架吊装工艺
    平面桁架虽然吊装吨位较空间桁架小，但其采用卧拼方式在龙门吊下拼装，脱胎同时起扳、回直，而后在龙门吊拼装时吊点场地外调平再提升就位，吊装工艺相对复杂，平面桁架吊装主要是脱胎、起扳和调平等施工工序及其过程中的主要控制措施：
    （1）脱胎时800T履带吊提升主桁架的上弦，两台龙门吊提下弦三机抬吊。三机抬吊三吊点平面投影范围包含重心，保证三点同时受力，如图3.5所示；同时，过重心垂直构件上下弦的辅助线到两龙门吊点的距离相等，确保两龙门吊均载，且便于在起扳过程中监测、控制。
    （2）脱胎后起扳，起扳时为监控桁架下弦两头均衡提升，在下弦吊挂两盘卷尺监测下弦离地距离。当两头离地距离不等时，调整两龙门吊吊钩使构件两端平衡。由于龙门吊钩下没有测量构件重量的仪器，这里通过控制两吊点至重心线的垂直距离及起扳过程中两点平衡，确保两龙门吊均匀受力。
    （3）构件起扳调平后，吊车开行至就位点就位，为合理使用大型吊机，采用卡马板就位的方式就位。根据吊装构件的长度、重量、重心位置，计算上下弦断口卡马板临时固定受力需要的马板规格、长度、焊缝长度。先焊接上下弦上表面卡马板，构架到达安装就位位置，校正合格将其他三面卡马板焊接完毕，吊机即可松钩。

    （三）构件的调平
    当空间主桁架脱胎或平面桁架完全立直，构件所处于的状态，同实际需要安装就位的姿态还存在一定的角度。主要表现为，桁架各安装对口点的相对高差不符合设计的最终相对高差。通过调整动滑轮组的长度，将构件各安装断口的相对高差调整到设计要求，构件调平达到合格，就位后再根据各对口已安装的构件牛腿及设计标高精确调整构件的就位位置。构件地面调平的目的是将大量的高空调整、校正工作在地面来完成。
    五、主桁架安装对口控制
    有余鸟巢结构的复杂性，加之加工制作、安装等各种偏差的因素，造成构件对口错边及焊缝间隙及往往达不到设计和规范要求。为此，在这两点问题上，通过大量的研究分析，提出如下两点方案：
    （一）错口偏差处理方法
    国家体育场钢结构所有构件均为全焊接箱形构件，闭口箱形构件在安装对口时处理困难，而传统钢结构开口构件的安装对接是有经验，可以借鉴的。根据这一思想，在作安装方案时考虑将闭口构件的安装向开口构件转化。如图5.1所示，在构件加工制作时，对所有的高空对接口处的后装箱形构件的组立焊缝预留300mm长不焊接，作为后续安装对口的预留段，便于调整对口处的错边调节。待错边调整合格后，先将构件的组立焊缝焊接完毕，再来焊接对口焊缝。

    对于错口位置距离构件节点较远，可调节的自由段比较长的构件，在自由段范围内可调的，采用千斤顶或火工矫正方法，以满足错口偏差的施工验收要求，同时满足设计有关建筑外形平缓过渡的要求。
    对于受到安装接口和节点限制，错口位置距离构件节点较近，可调的自由段长度较小构件，在千斤顶及火工矫正方法无法满足要求时，采取换板件或后装段的处理方法保证满足验收标准和设计建筑外形的要求。换板或后装段的具体做法应针对不同错口的具体情况作具体的洽商变更处理。
    （二）间隙偏差处理方法
    主结构板厚集中在20-40mm，结合本项目施工质量验收标准及《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）关于焊缝间隙小于2倍板厚的要求，间隙偏差采用如下两种方案处理：
    （1）间隙在35mm以内（小于1.75板厚）的焊缝，可以用焊缝堆焊的方式减小焊缝间隙。
    （2）间隙大于35mm，采用换板件或后装段的方式进行具体的洽商变更处
    为了验证上述宽焊缝间隙条件下焊缝综合力学指标，施工前进行了相关的堆焊工艺试验、宽间隙焊缝焊接工艺评定试验以及焊接变形试验。
    试验结果表明：
    （1）正常间隙和宽间隙焊缝焊接试板的焊接变形相比相差不大，说明宽间隙焊缝对焊接变形影响很小，相应的对焊接应力影响也应很小；
    （2）所进行的15组焊接工艺评定试验结果全部合格，说明宽间隙焊缝焊接接头的力学性能能满足规范和设计要求；
    （3）按照试验中采取的堆焊工艺??“在焊缝一侧堆焊以减小焊缝间隙到正常间隙后，再进行正式焊接”，是可以保证焊缝接头的力学性能的，堆焊工艺是可行的。
    六、总结
    国家体育场主桁架的安装难度主要表现在：
    1、屋顶主桁架整体支撑点的布置选择，吊装单元分段；
    2、空间主桁架的吊点、吊耳布置，索具选择；
    3、平面主桁架采用龙门吊辅助翻身的操作工艺；
    4、主桁架安装对口的处理。
    通过对以上各个难点的逐个研究分析，找出相应的对策，并以科学的试验为依据，国家体育场的主结构安装已经取得了工期、质量、安全上的全面成功，这也给同类工程提供了宝贵的借鉴经验。
    参考文献
    （1）何焯，设备起重吊装工程便携手册，北京：机械工业出版社，2005.1；
    （2）朱学敏，起重机械，北京：机械工业出版社，2003.6；
    （3）中国钢结构协会，建筑钢结构施工手册，北京：中国计划出版社；
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