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国家体育场空间巨型钢桁架安装施工技术

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

    王大伟 许立新 陈桥生
    （上海宝冶建设有限公司，上海，200941）
    [摘要]国家体育场钢结构主体结构为空间巨型钢桁架结构体系，构件体型庞大，单体重量重，施工难度大。为此，本文特从施工方案选择、吊索具设计及吊装工艺等方面重点介绍了国家体育场空间巨型钢桁架安装施工技术。
    [关键词]国家体育场 空间巨型钢桁架 吊装 安装 施工技术

    1 工程简介

    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。钢结构建筑顶面呈马鞍型，长轴为332.3m，短轴为297.3m，最高点高度为68.5m，最低高度为40.1m。屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。主要由24榀桁架柱、24榀大跨度主桁架组成的24榀空间巨型门式刚架围绕体育场内部碗状看台切线旋转而成，空间巨型钢桁架与立面及顶面次结构交叉编织，从而形成了 “鸟巢”的特殊建筑造型，见图1。

    2 施工方案的选择
    国家体育场工程作为我国首次举办奥运会的主场馆，举世瞩目，其目标是建设成“国内最好、世界一流”的体育场，并保证整个工程按期完成，使奥运会顺利举行。钢
    结构工程作为体育场的主体工程，乃整个工程的关键。国家体育场主体钢结构由24榀巨型桁架柱及24榀大跨度桁架组成，桁架柱的最大断面25m×20m，最高68.5m，单榀最重达700t之多；主桁架高度12m，双榀贯通最大跨度258.365m。构件体型庞大，单体重量重。对于如此巨大跨度的空间桁架结构的高空安装，施工难度极大。经过国内外知名企业的方案征集，汇集了整体提升、滑移、分段吊装与高空拼装(简称散装法)及局部提升等多种施工方案。考虑到钢结构工程与其它专业的穿插施工、施工场地的限制以及面临的巨大技术挑战等因素，经过多次的方案对比、论证，最终确定“鸟巢”钢结构安装采用“高空散装”方案：

    所有构件分吊装单元分段进行安装，高空对接，区间合拢，结构形成后进行支撑塔架卸载。安装时，先安装南北方向桁架柱，后安装东西方向桁架柱，内外主桁架的安装穿插进行。立面次结构与楼梯则随桁架柱的安装进度一起进行安装，顶面次结构待卸载完毕再进行安装。

    3 施工分区及吊装顺序
    国家体育场钢结构为巨型大跨度空间桁架结构，构件自重产生的内力所占比例较大，钢结构施工顺序对结构构件在重力荷载作用下的内力将产生明显影响。所以，为保证整个结构的整体性，减少构件自身荷载对结构的影响，主体钢结构的安装顺序应遵循对称同步、尽早形成局部稳定安装区域的原则，将钢结构对称划分为两大施工区域：I区、II区，两个区同时对称进行吊装，如图2所示。

    在每个施工区域，为尽早形成安装区域局部稳定，将主体钢结构安装分为了三个阶段。先南北、后东西、最后进行四个角部区域主桁架的安装，并进行区间整体合拢。根据吊车的吊装能力，又分为了内外两个施工区，内外环吊车根据施工区域划分进行内外环构件的吊装。

    4 空间巨型钢桁架安装施工技术

    对于国家体育场主体钢结构采用散装法的吊装方案，巨型桁架柱及大跨度空间桁
    架均散件运至现场，在现场进行
    地面拼装。分段吊装前，在主桁架下面搭设施工用支撑塔架，然后分段进行吊装，待屋面主结构形成整体后，支撑塔架再整体同步卸载。

    根据整个体育场钢结构的结构形式及构件特性，结合所选用吊车的吊装能力及吊装顺序，将整个体育场的主体钢结构分为了48个桁架柱吊装段，182个主桁架吊装段。每个施工分区选用1台800t履带吊和1台600t履带吊进行主结构的吊装。其中，800t履带吊布置在外环，负责桁架柱、外圈主桁架及部分中圈主桁架的安装，600t履带吊布置在内环，负责内圈及部分中圈主桁架的安装。

    4.1巨型桁架柱施工技术
    国家体育场空间巨型桁架柱为三角形断面组合柱，主要由一根菱形内柱和两根箱型外柱组成，内、外柱之间设有箱型腹杆，两外柱之间则设有箱型立面次结构。桁架柱断面上大下小，外柱在上部弯曲圆弧形收拢到菱形内柱上。每个施工区12根桁架柱的高度、重量、结构形态都各不相同，且结构非常复杂。由于桁架柱的重心偏向内柱，且位于内外柱之间，所以，为保证桁架柱脱胎时主吊点的受力和桁架柱
    的侧向稳定性及桁架柱脱胎后的临时搁放，桁架柱采用内柱朝上的正立三角卧拼的形式整体进行地面拼装。根据桁架柱的重量、高度及其它结构特征，并考虑所选吊车的吊装能力，采用整体拼装、分段吊装的方法，即桁架柱在指定的位置整体拼装，采用分段双机抬吊、翻身旋转立直、主吊车回转就位的吊装方法。

    由于每根桁架柱的结构特点都不相同，且重量非常重，故在吊装前要进行不同位置的分段。根据桁架柱的结构特点和吊机工作能力，每根桁架柱分为两段，分段重量都在330t左右，最重达到370t。如此重且各不相同的吊装单元，在吊装过程中要经过脱胎、翻身旋转立直、就位三个过程，工艺复杂，所以桁架柱的吊装是整个工程的重点，也是难点。经过反复研究并制作模型进行吊装模拟后，确定双机抬吊脱胎、主吊车通过滑轮组调节与辅助吊车配合将桁架柱翻身旋转立直、主吊车单机旋转就位的吊装方法。

    4.1.1吊索具的设计
    根据以上吊装方法，为满足桁架柱由卧拼形态变为直立状态，在桁架柱吊装段的辅助钢丝绳上连接一个可以调节吊装钢丝绳长度的滑轮组。由于每个吊装段的特点都不相同，所以要对每段桁架柱进行重量、重心计算，按照最重的吊装段进行吊耳、钢丝绳
    及滑轮组的设计，并考虑每个吊装过程中吊耳及钢丝绳的受力情况不同，按最不利的情况进行考虑。桁架柱的吊耳设置非常关
    键，因为本工程的桁架柱不同于其它工程的钢结构，一来桁架柱的重量非常大，二来其结构非常复杂，重心位置不易确定，并
    且吊耳的设置要考虑脱胎、翻身直立、就位三个过程。为满足桁架柱三个吊装过程的要求，在桁架柱内柱设置两个主吊耳，在外柱上设置两个辅助吊耳，同时在桁架柱分段的下部设置两个辅助吊耳，脱胎和翻身直
    立时作为辅助吊车的吊点，巨型桁架柱下段柱的吊耳的设置见图3。经计算选定的滑轮组连接在主吊车的辅助吊耳上，上段柱的吊耳、钢丝绳、滑轮组原理与下段柱相似。

    4.1.2巨型桁架柱吊装的关键过程
    巨型桁架柱分段吊装，要经过脱胎、翻身直立、就位三个过程。这三个过程是一个连续的过程，但需要在不同的站位点上完成。为此，吊装前，要根据构件的结构形态、吊车的工况及吊装就位的位置等因素确定出每个吊装过程的吊车站位点，并进行吊车站位及行走路线的设计，如主吊车和辅助吊车的脱胎、翻身直立站位点及主吊车吊装就位站位点。每个站位点的确定要根据吊车的起重能力、构件的重量、重心位置及长度等结构特点、吊车操作时所需要的空间等进行详细设计、计算。巨型桁架柱分段吊装的吊机站位点和行走路线的设计是最关键的，它直接影响到吊装是否能够成功、高效、顺利的完成每一个环节。

    脱胎：桁架柱的脱胎由一台800t和一台500t履带吊双机抬吊完成，两台吊车站在设计好的脱胎站位点，先将桁架柱垂直提起，当构件完全脱离胎架并高过上节柱拼装的最高点后，800t吊车慢慢转杆，同时500t吊车一边转杆一边向翻身站位点行走，直到分段桁架柱离开胎架位置，将构件慢慢下落，使其离地高度不大于1m，保证吊车行走更安全，然后800t和500t吊车行走到翻身直立的站位点，完成脱胎过程。
    翻身直立：它是最关键的过程，它需要两台吊车相互密切配合，并通过电动葫芦牵引滑轮组将辅助钢丝绳收短，使桁架柱直立。桁架柱脱胎后走到翻身直立站位点, 两台吊车同时起吊，500t辅助吊车将桁架柱分段下端提升1～2m后停止，800t主吊车则继续缓缓提升桁架柱上端，并向500t吊车方向转杆并长杆，同时将滑轮组钢丝绳收短。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，退出工作，此时桁架柱完全由800t主吊车吊着，但桁架柱仍然处于倾斜状态。为调整桁架柱的平衡，使内柱成垂直状态，通过电动葫芦来慢慢收短滑轮组的钢丝绳。如下图4(以下段为例)。

    吊装就位：桁架柱翻身直立后，800t吊车行走到吊装就位站位点，转杆并趴杆使桁架柱位于就位位置的上方，缓缓落钩，接近就位位置时，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长杆，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。

    由于每根桁架柱的重量、形态、重心等结构特点都不相同，所以对于每次吊装都要进行吊耳、吊车站位、吊车行走路线的设计，并确定吊车采用何种工况，做出详细的吊装方案。每根桁架柱的吊装方案设计都要在确保安全吊装的前提下，保证吊车的行走路线最短，并最好能使行走路线能够同时满足上段和下段桁架柱的吊装，提高吊装效率。由于巨型桁架柱重量非常重、体积大，每个吊装过程均缓慢而复杂，同时，吊装前要作大量准备工作，吊装就位后要进行焊接，所以每段桁架柱从准备吊装到吊机松钩一般需要三～五天。相比其它工程，国家体育场的巨型桁架柱吊装是一个非常复杂、难度大、吊装速度缓慢的工序。
    4.2大跨度空间桁架施工技术
    国家体育场是由24榀大跨度的空间桁架形成马鞍型的屋盖，长轴长332.3m，短轴长297.3m，安装最高点高度为68.5m，最低高度为40.1m，上下弦高度达12m。采用分段高空散装的吊装方法。
    空间主桁架的施工过程关键在于桁架的分段和吊装顺序、平面桁架的翻身以及空间管口的定位，以保证空间对接口的对位。
    4.2.1大跨度空间桁架的分段与吊装顺序
    根据支撑塔架的支撑位置、吊车吊装工况及主桁架的结构形式，并充分考虑分段吊装顺序和相互搭接关系，尽量避免前后吊装分段的接口数量过多，保证各吊装分段的稳定性，保证内外环吊机的吊装的衔接等多方面因素，大跨度空间桁架共分为182个吊装分段，其中平面桁架共166段，立体桁架共16段。根据布置和任务分工情况，主桁架的吊装分为内环主桁架吊装区域共96个吊装单元和外环主桁架吊装区域共86个吊装单元。施工时，在每个施工区域，为尽早形成安装区域局部稳定，将主体钢结构安装分为了三个阶段，先南北、后东西、最后进行四个角部区域主桁架的安装。在以上大的区域顺序的基础上，内、外环根据相互的搭接顺序及吊装后的稳定性将每个分段编号，吊装时严格按编号顺序进行拼装、吊装。
    4.2.2大跨度空间桁架安装关键技术
    由于主桁架吊装单元分为平面主桁架和立体主桁架，平面主桁架采取卧式组拼，而立体主桁架拼装形态与吊装时相同，所以平面主桁架与立体主桁架的脱胎过程不尽相同。平面桁架要经过翻身、脱胎、就位三个过程，而立体主桁架只有脱胎、就位二个过程。主桁架的脱胎过程采用单机脱胎，整个过程相对简单，构件脱胎后进行调整，与就位时的工况基本相同，到就位时再进行微调。主桁架安装的关键在平面主桁架的翻身、主桁架的管口的定位。
    平面主桁架翻身：对于平面主桁架的拼装均采用平面拼装的形式，拼装完成后，采用主吊车直接从拼装胎架上起扳成垂直的吊装状态。平面主桁架翻身前，在主桁架的下弦位置设置两个马凳，作为桁架翻身时的支点。在构件起扳的过程中，主吊车一边起钩、一边长杆，使构件以下弦支点为轴旋转直立，避免构件有横向移动。起扳的过程中，要严格控制吊钩起钩速度，尤其在构件接近直立状态时，要缓慢地使构件垂直地搁置在马凳上。待构件稳定后再慢慢垂直提升构件，以确保整个过程平稳、安全，避免对构件造成损伤与变形。
    主桁架就位：主桁架尤其是立体主桁架对接管口多，最多达几十个，并且接口都是箱形，所以构件的定位非常重要。施工时，首先要求拼装的精度非常高，同时，在吊装就位时要采取以下措施来保证就位后各牛腿的定位准确。主桁架吊装前要在部分位置加设临时支撑，避免吊装时构件的变形；支撑塔架上的支墩要提前根据上面就位的桁架分段进行准确切割，并在主桁架对应位置设置限位板；就位时通过滑轮组或手拉葫芦调节构件的角度；初步定位后通过全站仪进行每个牛腿的空间坐标测量，使每个管口的实测坐标最接进设计值，并满足规范要求。
    5 结束语
    国家体育场空间巨型钢桁架安装因结构跨度大、重量重、结构复杂等特点，导致整个工程施工技术难度相当大。但是由于吊装前，每个过程都经过全面、详细的方案讨论，每个构件吊装时都经过详细的设计、计算、分析，综合考虑了一切可能遇到的难题，采取了相应的措施，最终确保了空间巨型桁架吊装安全、顺利、优质的完成。
    [作者简介]王大伟（1979-1-10），男，内蒙古商都县人，上海宝冶建设有限公司，项目部总工程师，工程师，上海市宝山区四元路168号5号楼，200941。电话：13728790601。
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