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国家体育场钢结构巨型桁架柱吊装

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

    王 楠
    （上海宝冶建设有限公司，上海，200941）
    [摘要]作为2008年北京奥运会的主会场，国家体育场规模巨大，钢结构的结构形式极其复杂，构件体形庞大，大型构件吊装十分频繁，施工难度大。本文通过国家体育场钢结构工程的桁架柱的施工，简单介绍了大型构件的吊装技术和吊装心得。
    [关键词]国家体育场 钢结构 大型构件 吊装

    引言
    国家体育场作为2008年北京奥运会主会场，在所有奥运工程中的地位举足轻重，其主结构特点十分显著，具体特点如下：
    ⑴构件体型大，单体重量重
    ⑵节点复杂
    ⑶工期紧
    ⑷焊接量大
    1 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。建筑顶面呈鞍型，长轴为332.3m，短轴为297.3m，最高点高度为68.5m，最低点高度为40.1m。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型布置，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。网格大小尽量均匀，上下弦节点对齐，具有较好的对称性。桁架柱、弦杆与腹杆形成完整的桁架。腹杆轴线与内外柱轴线在同一平面内，腹杆宽度为1200mm，与菱形内柱同宽。在屋盖上弦采用膜结构作为屋面围护结构，屋盖下弦采用声学吊顶。主场看台部分采用钢筋混凝土框架－剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。

    屋盖主结构的杆件均为箱型构件，其中，主桁架断面高度为12m，上弦杆截面为1200mm×1200mm～1000mm×1000mm，下弦杆截面为1000mm×1200mm～800mm×800mm，腹杆截面基本为600mm×600mm，上下弦杆与斜腹杆交错穿插。桁架柱为三角形格构柱，每根格构柱由两根1200mm×1200mm箱型外柱和一根1200mm×1200mm菱形内柱组成，腹杆截面为1000mm×1200mm。桁架柱上端大、下端小，上端与主桁架相连，下端埋入钢筋混凝土承台内，并将屋盖荷载传至基础。
    除菱形内柱下端（标高＋1.500m处）采用了Gs20Mn5V铸钢件外，屋盖主结构主要采用Q345D、Q345GJD及Q460E钢材，钢材强度等级要求较高。
    本工程主结构约为21700t，其中桁架柱约为10500t，主桁架约为11200t。
    2 桁架柱简介
    桁架柱是主结构中很重要的一部分，桁架柱的吊装一方面可以为主桁架的吊装积累经验，另一方面可以通过对桁架柱的控制达到对整个主结构质量、工期的有效控制。
    由于桁架柱柱截面巨大，单体重量重，单根组合柱的最大重量达700多吨，根据钢柱的重量分布以及吊机的工况，采用分段安装的方法。整根桁架柱分为下柱和上柱两部分，这样既可以满足吊机的工作性能要求，又可以有效的避免由于分段过多增加高空焊接量。上柱、下柱均在地面胎架上整体拼装，根据实际重量及吊机情况确定分段位置，两段之间用卡码临时固定。

    图3 桁架柱吊装工艺流程
    3 桁架柱吊装准备
    3.1 构件验收：
    桁架柱吊装前要注意桁架柱拼装进度及拼装质量，其中拼装质量主控项目为：构件预拼装尺寸偏差、构件几何尺寸：
    3.1.1 构件预拼装尺寸偏差



    3.2 吊机行走路线、工况的确认
    由于桁架柱单重较大，拼装形态与吊装形态不同，需在吊装过程中翻身，为了确保吊装过程的安全，故采用双机抬吊的方法。由于现场场地条件有限，大型吊机对场地要求较高，所以吊装前对吊机行走路线、工况的确认尤为重要，其中主要包括以下几项内容：
    ⑴吊机验收与确认：包括800t和500t履带吊的安全验收；吊机工况、性能、状态及油料准备情况的确认工作。
    ⑵现场平面规划与清理：包括吊机站位点与行走路线、桁架柱的临时搁置点、800t吊车配重摆放位置的规划；吊机行走、超起配重的回转范围，桁架柱的临时搁置区域内构件、工器具、杂物等的清理工作。
    ⑶路基箱铺设：500t吊车行走路线路基箱铺设长度需大于42m，顺铺，合计14块路基箱，800t吊机行走路线路基箱铺设长度需大于39.6m，其中吊装站位点路基箱横铺，合计路基箱20块。所有路基箱按规格2.5m×6m考虑，如规格不符，应确保铺设长度。
    ⑷800t吊车配重准备就位：将所需配重块放在设定的悬挂吊篮位置旁边，以便800t吊车到位后能尽快挂上超起配重。
    ⑸基坑回填与确认：确保回填区域和试压承载力满足吊装要求。
    ⑹吊车站位：吊机应空车在吊车行走路线上来回走车，以压实路面，然后按方案要求进行站位。

    3.3 吊耳、吊索具的检查
    为便于平衡调节和空间角度调节，桁架柱下柱采用三点吊装，上柱采用四点吊装：
    下柱吊装时，内柱设置主吊点和圆管吊耳，以便于起吊直立过程中钢丝绳的转动；两外柱设置副吊点和板式吊耳，以便于桁架柱吊装时的平衡调节。同时，为保证桁架柱外观的美观及起吊后钢丝绳的受力，外柱上的吊耳均设置在桁架柱内侧，内柱上的吊耳设在菱形内柱两侧。
    上柱吊装时的吊点均设置在外柱弯扭段顶面，靠内柱一侧的主吊点尽量靠近外柱内侧腹板位置，且主吊绳采用走通方式，以确保主吊绳的受力，避免吊装过程中出现三点受力甚至两点受力的情况及钢丝绳的滑动磨损。为确保受力平衡，加快桁架柱吊装时空间角度调节速度和精度，副吊绳上设置滑轮组，并通过电动葫芦和导向滑轮来调节副吊绳的总体长度。为加快吊装进度，减少桁架柱吊装时临时措施用量，桁架柱脱胎和起吊直立过程中，500t辅助吊车吊点处不单独另设吊耳，采用直接套兜的方式。但为防止钢丝绳的损坏，内柱吊点处需增设圆弧型钢板保护套和防滑钢管。
    大型构件吊装对吊耳及吊索具的要求较高，吊装前首先要检查吊耳位置是否准确，吊耳是否按要求在相应的位置增设加劲板，吊耳焊缝是否饱满，焊缝表面有无裂纹、气孔，吊索是否有断股、冒油的现象，吊索与构件接触位置是否增设相应保护措施减少摩擦。

    3.4 吊装前其他准备工作
    ⑴杂物清理：主要包括影响桁架柱脱胎的拼装平台、拼装定位板及其它杂物、垃圾的清理。
    ⑵枕木准备：在桁架柱的临时搁置处摆放枕木，摆放位置为外柱节点位置，共需规格为0.2m×0.2m×2m的枕木16根。
    ⑶柱脚上口处操作平台、安全通道搭设。
    ⑷稳定加固措施：包括内部加强支撑、外部刚性拉撑、刚性拉撑包箍、风绳耳板的装设。

    ⑸安装用工装件装设：包括柱脚上口和桁架柱下端处的工装件、定位板。
    ⑹吊索具挂好后，脱胎前要对桁架柱、拼装胎架、索具、吊机等进行全方位的检查，特别要防止拼装胎架与桁架柱之间的连接未彻底清除。

    ⑺吊装前，通过ANSYS建模分析得出桁架柱分段的重心位置并以此确定吊点位置。同时利用ANSYS软件进行脱胎、起吊直立、吊装及就位全过程吊装工况模拟分析、吊耳设计与内外部加固支撑设计计算，计算内容包括变形、吊耳应力与吊耳设置处结构本体母材的局部受力验算，确保吊装过程中吊索具和结构本体不发生过大的变形和破坏。对于受力不满足要求的部位，提前进行加固处理。

    4 桁架柱吊装过程
    4.1 下柱吊装过程
    4.1.1 构件脱胎
    桁架柱在指定的拼装位置上整体拼装好以后，先进行验收，并做好临时加固措施及其它准备工作，然后将桁架柱分段从胎架上吊出，临时搁放在桁架柱吊装时吊机指定站位点的作业半径范围内的地面上。
    桁架柱的脱胎采用800t吊车和500t双机抬吊，吊点设置在桁架柱内柱的上下两端。脱胎时，先将桁架柱提起，当构件完全脱离胎架并高过上节柱拼装胎架的最高点后，两吊车同时行走，待离开拼装胎架一定距离后将桁架柱下降到离地面约1m的高度，此时800t吊车转杆，500t吊车一边转杆，一边继续行走，直到桁架柱转到指定位置，将桁架柱临时搁置在地面上，以准备下一步的翻身工作。
    脱胎后，桁架柱两外柱落地位置应间隔一定距离垫放枕木，并保持平整，以防止构件变形和油漆损坏。构件脱胎过程中要确保构件平稳提升，两端吊耳受力均匀，构件在空中无明显晃动，这就要求对两台吊机的提升速度加以控制。脱胎时，先将桁架柱提起，当构件完全脱离胎架后，吊机保持静止，待构件稳定后两吊机同时转杆进行下一步。

    4.1.2 构件翻身
    桁架柱翻身是吊装过程中难度最大、最重要的一环，翻身时，800t吊车和500t辅助吊车分别站在桁架柱两侧，吊车站好位并挂好钢丝绳以后，两台吊车同时起吊，500t辅助吊车将桁架柱分段下端提升1m～2m后停止，800t主吊车则继续缓缓提升桁架柱上端同时向500t吊车方向转杆并起杆。为调整桁架柱的平衡，使内柱成垂直状态，在外柱的下端设置导向滑轮，滑轮组的跑绳通过导向滑轮连到桁架柱上端的5t电动葫芦上。在最终的调直过程中，通过电动葫芦来慢慢收短滑轮组的钢丝绳。当桁架柱接近直立时，500t吊车慢慢松钩，直到500t吊车不受荷后，拿掉挂在桁架柱上的钢丝绳，并退出桁架柱翻身的位置，此时桁架柱重量完全由800t主吊车承担，构件翻身结束。


    4.1.3 构件就位
    桁架柱翻身直立后，在吊装就位前，通过电动葫芦及滑轮组对桁架柱进行调平，保证内柱垂直于地面。然后800t吊车原地转杆到柱脚上方，吊车趴杆使桁架柱内柱垂直对准柱脚相应位置，缓缓落钩，接近柱脚上端口时，吊车停止落钩，再次通过电动葫芦及滑轮组对桁架柱进行微调，保证桁架柱内、外柱下端口保持水平，并通过轻微的趴杆或起杆，使桁架柱下端准确对位。调整好以后，桁架柱保持平稳时，800t吊车再缓缓落钩使桁架柱准确就位。
    为保证桁架柱与柱脚的精确对位，在下节桁架柱与柱脚对接的位置设置对接耳板。桁架柱就位后，进行临时固定。然后通过经纬仪、全站仪进行内柱垂直度的控制测量，及控制点坐标的测量，根据要求进行调整，直到符合要求。调整好以后，按照要求，对分段桁架柱进行拉接，同时进行柱脚与下节柱之间的焊接，且保证连续对称焊接。

    4.2 上柱吊装过程
    桁架柱上柱吊装工艺及吊装过程与下柱一致，在此不做赘述仅通过现场图片图示上柱吊装过程。


    4.3 桁架柱吊装过程中需注意的问题
    ⑴在桁架柱脱胎、翻身过程中，每进行一步要停顿一段时间，注意观察吊耳及其附近的母材是否有开裂、变形现象，确保构件始终处于平稳状态，减少构件摆动。
    ⑵当构件翻身开始时，注意观察吊机超起架是否离地，如翻身未完成超起架过早离地，则需要增加配重，如翻身结束超起架未离地需要减轻配重。
    ⑶构件就位后对构件各点空间坐标进行复测，如坐标无误尽快拉设缆风绳，确保构件位置的稳定性。
    ⑷由于现场场地狭小，在构件翻身过程中要注意两台吊机相对位置及其中间距离是否满足构件翻身、立直所需空间，如果空间较小辅助吊机可以边转杆边退车，确保构件翻身空间。
    ⑸在构件立直过程中及时确认滑轮组行程是否充足，如滑轮组行程用完需及时处理。
    ⑹为减少吊机转场、路基箱铺设的时间，要求在确定下柱吊装吊机站位点时充分考虑上柱吊装时吊机站位要求，合理确定吊机站位点，做到下柱、上柱吊机一次站位。
    ⑺桁架柱就位时注意控制各坐标点及菱形柱的垂直度，根据场内已建立的控制网，利用经纬仪或全站仪测设出管口的定位轴线，标记鲜明。一根桁架柱需放样出6条定位线，确保桁架柱各点坐标准确。用经纬仪测量菱形内柱的垂直度，确保整根桁架柱的垂直度。
    5 结束语
    国家体育场作为2008年奥运会主体育场设计、施工均有其独到之处，随着2008年奥运会的日益临近该体育场必定成为世人关注的焦点。该体育场钢结构的圆满完工标志着我公司在大型体育场馆的建设领域登上了一个新的高度，为我公司日后承揽类似工程积累了技术、施工、质量、管理等方面的宝贵经验，成为我公司新的里程碑，也将激励我们为更好的创建“宝冶”品牌而努力。
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