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国家体育场钢(鸟巢)结构安装工程重型桁架柱单机立直安装工艺

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

    魏义进 封叶剑 刘子祥

    提要：国家体育场钢结构安装工程，对重型桁架柱采用800吨履带吊单机立直安装工艺，经当前施工过程证明，该工艺对于现场的场地利用、施工设备费用、结构安装工期上都有良好的节约作用，并有较高的应用价值。
    关键词：钢结构、重型桁架柱、单机立直、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。钢结构总量约4.6万吨，构件截面均为箱形截面构成不规则的鸟巢形体，其空间位置复杂多边，形体宏大、美观。

    其中主桁架共有48榀，即从24根桁架柱顶端分别沿两外柱方向，向环内延伸交叉，主桁架总用钢量约14000吨，组合柱约17020吨形成如下图的主要承力体系。

    目前工程已经进入紧张的现场安装阶段，钢结构安装重量已经超过三分之一，其中桁架柱已基本安装完成，鸟巢形体初现端倪。
    二、桁架柱分段说明及设备选择
    由于收运输尺寸限制，按公路运输要求桁架柱分段运入现场后，按指定位置搭设拼装胎架进行现场拼装，根据钢结构施工图初步统计单根钢柱重量超过600吨，如采用整体安装方案，目前国内未有能满足吊装工况要求的大型起重设备，因此在深化图纸设计阶段将桁架柱分为上下两个分段，下段柱高度为32米至45米，纵横向宽度同一根柱基本一致，变化范围为16米至25米，上段柱高度为15米至19米，纵横向宽度同下柱基本一致。
    最大的分段重量（C7下）达到412吨，最小的分段重量也已经达到281吨，且桁架柱分段外型为三角形组合，所需要的最小安装半径不得小于20米，因此选择CC4800型800吨履带吊作为主要安装设备，其性能如表１。

    针对选定的吊车性能，主要以78米主臂工况为主，在分段超重时采用66米主臂工况安装，以最大限度地提高吊车的使用率。
    三、吊耳设计及索具选择
    （一）、下段安装吊耳及索具
    桁架柱最重吊装段为：G=412t，根据桁架柱形状及分段重量、长度、起吊方法及吊机性能等，采用吊耳吊装。对于下段柱采用主吊车单车脱胎，脱胎吊耳采用四点脱胎，两点在柱分段上端，两点在分段下端；就位时将两外柱的内侧增加两只同拉索方向一致的板式吊耳。其中内柱上端吊耳需要满足脱胎和吊装的双重需要，特别是该吊耳将作为起扳立直过程中的主要吊耳，并且拉索的作用方向不断变化，因此设计为管式吊耳，其他均采用板式吊耳。



    其中主吊索均采用钢丝绳无头绳圈，一头挂于吊车钩上，一头通过三角形扁担分两股定长绳圈至两个主吊点。
    （二）、上段安装吊耳及索具
    上段桁架柱的脱胎吊耳和下段一致,但是在就位吊耳布置上有很大区别,就位吊耳均需设置在两外柱扭曲段的上表面,以适应安装就位状态的需要,同时为保证吊耳同本体的焊接质量,吊耳落点设置在靠近侧板附近,并根据吊耳落点的板厚采取了一定的加强措施,布置位置如图3.4所示，索具配置如图3.5。


    四、单机立直工艺
    单机立直工艺的优点：（1）、适应现场场地相对狭小的条件，解决大型辅助吊车无法站位的要求；（2）节约辅助吊车的费用；（3）提高主吊车在现场的使用率；（4）大型构件吊装时便于统一指挥。立直工艺要点首先根据现场的场地情况，结合桁架柱分段拼装的位置，无法满足两台大型吊车的工作空间，特别地在使用800吨履带吊时，为满足构件吊装重量的要求，需要设置超起工况，而当前CC4800型履带吊，只有达到额定荷载的80%以上时，尾部的超起配重才有可能离开地面，此时吊车才有回转的可能。对于常规的单车立直动作，吊点应当设置在靠近吊车一侧，立直回转轴应当设置在远离吊车一侧，以防止在构件立直过程中，构件向起重平面外的倾覆趋势。但是在本桁架柱分段的立直过程中，由于构件的重量几乎均接近吊车的最大极限荷载，而且构件的长度均大于30米，如果采用回转轴设置在远离吊车的方向，当构件立直后，在大于30米的半径外构件重量已经远超过该半径的额定荷载。因此在采取了一系列的保证措施后，选择了回转轴靠近吊车，起吊点远离吊车的立直回转方向，可以保证在20米半径之内使构件完全立直，并且能够满足安装半径的需要。
    （一）、立直回转前准备
    CC4800型800吨单车将构件脱胎后，将待立直构件同吊车的起重平面设置在一条直线上，确保吊车的超起配重中心、吊车的中心、起扳点、回转轴中心点四点在一条直线上。如图4.1所示。
    构件脱胎搁置于地面后，为确保能够有效地绕预定回转轴旋转，即在靠近履带吊方向的桁架下端设置软木回转槽，根据桁架柱下端有两个外柱末端可以接触地面，在对应位置分别设置回转槽，构造如图4.2。


    （二）、回转过程说明
    构件脱胎摆放于立直场地后，对于下柱仅需拆除下端拉索，转移到两外柱上端口的板式拉耳上，原内柱上段的主吊索可以沿圆管吊耳转至同吊点垂直。保持超起配重位置不变,以内柱上吊点为起扳点,外柱下端为回转轴,开始构件的起扳动作。初始阶段，由于起扳的荷载较小，尾部超起配重不会脱离地面，前端大钩的起重能力完全满足要求。随着构件的逐渐立直，起重半径逐渐减小，起扳吊点所承受的荷载也逐渐增加，但是对应800吨履带吊的起重能力随半径的减小也逐渐增加，在整个回转立直过程中的任何一点，对应的起重半径和起重能力的对应数值，均在800吨允许的额定起重荷载之内。一般控制在20米半径之内，将构件可以完全提离地面，分步过程如图4.3所示。
    在整个立直过程中关键控制措施为防止起扳的构件，往履带吊方向的回荡及构件往起重平面外的倾斜，所采取的控制措施主要有以下几点：

    A、 始终保持800吨履带吊大钩在起吊点上方，并设置一定的向大半径方向的余量，使得在整个立直过程中，构件所受的水平拉力为远离吊车方向；
    B、 设置在外柱下端的回转槽必须同周边的路基箱连成整体，在提供足够强度的竖向荷载的同时，也能够经受的起水平推力的作用；
    C、 随着整个立直过程，作用于两外柱上段的副吊索的长度将逐渐收紧，在该方向上均设置了120吨~200吨级别的滑轮组，为保证两个副吊点可以对构件回转起到一定的约束作用，必须随着构件的起扳，逐渐拉紧滑轮组跑绳，使滑轮组一直处于张紧状态。
    D、 对应构件起扳的较远方向，在两外柱顶端分别设置有足够强度的缆风绳，随构件的立直，逐渐放长，特别是在构件已经到达可以脱离地面前的临界状态，必须张紧缆风绳，以有效控制构件的回转。
    （三）、构件的调平
    当构件完全立直，并脱离地面后，构件所处于的状态，同实际需要安装就位的状态还存在一定的角度。主要表现为立直后，内柱同大地是不垂直的，而安装就位状态内柱是完全垂直于大地的，因此必须对构件进行调平工作。在构件的调平过程中，仍然依靠设置在两外柱上端的滑轮组的逐步张紧，缩短辅助吊索的长度，将内柱在两个方向上调整为垂直状态。如图4.4所示。

    （四）、构件就位
    当构件完全调整到同就位状态一致后，将800吨履带吊带载开行到预定的就位中心位置，最大行走距离约20米，将构件安装到设计位置，并精确调整到相关规范规定的偏差范围之内后，将构件临时固定，按既定的焊接方案进行构件的焊接固定。
    桁架柱上柱的起扳立直过程，除构件在外形上存在一定差别外，起扳过程的控制基本一致。
    五、总结
    在国家体育场桁架柱分段安装过程中，由于构件的体量和重量都很大，而且所选用的800吨履带吊设置超起工况后所需工作空间也非常大，采用单机立直回转工艺，有效地利用了现场的施工场地，并且节约一台300吨级的辅助吊车，有其明显的经济性。同时在整个立直过程中，充分利用800吨主吊车的起重性能，其所承担的荷载随立直动作的进行逐步增加，并使其在各个半径范围内的额定起重量都得到了充分的利用，开阔了在大吨位构件起重过程中对构件起重半径和起重量协调控制的新思路。同时根据吊装工况所设置的圆管式吊耳、三角形铁扁担、软木回转槽等细部节点措施，有效地保证了单车立直回转过程的安全完成，并在实践中得到了很好的验证，减少大吨位构件在安装过程中对大型设备的使用时间，取得了良好的经济效益和提高了整个安装过程的工作效率。
    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）、中国巨力集团产品介绍，河北保定；
    （4）、沈阳码猛特重型设备性能表，沈阳；

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