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國家體育場鋼結構巨型桁架柱吊裝

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    王 楠
    （上海寶冶建設有限公司，上海，200941）
    [摘要]作為2008年北京奧運會的主會場，國家體育場規(guī)模巨大，鋼結構的結構形式極其復雜，構件體形龐大，大型構件吊裝十分頻繁，施工難度大。本文通過國家體育場鋼結構工程的桁架柱的施工，簡單介紹了大型構件的吊裝技術和吊裝心得。
    [關鍵詞]國家體育場 鋼結構 大型構件 吊裝

    引言
    國家體育場作為2008年北京奧運會主會場，在所有奧運工程中的地位舉足輕重，其主結構特點十分顯著，具體特點如下：
    ⑴構件體型大，單體重量重
    ⑵節(jié)點復雜
    ⑶工期緊
    ⑷焊接量大
    1 工程概況
    國家體育場位于北京市城府路南側，奧林匹克公園中心區(qū)內。建筑頂面呈鞍型，長軸為332.3m，短軸為297.3m，最高點高度為68.5m，最低點高度為40.1m。屋蓋中間開洞長度為185.3m，寬度為127.5m。

    主桁架圍繞屋蓋中間的開口放射型布置，與屋面及立面的次結構一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。大跨度屋蓋支撐在周邊的24根桁架柱之上，主桁架盡可能直通或接近直通，并在中部形成由分段直線構成的內環(huán)。網格大小盡量均勻，上下弦節(jié)點對齊，具有較好的對稱性。桁架柱、弦桿與腹桿形成完整的桁架。腹桿軸線與內外柱軸線在同一平面內，腹桿寬度為1200mm，與菱形內柱同寬。在屋蓋上弦采用膜結構作為屋面圍護結構，屋蓋下弦采用聲學吊頂。主場看臺部分采用鋼筋混凝土框架－剪力墻結構體系，與大跨度鋼結構完全脫開。

    屋蓋主結構的桿件均為箱型構件，其中，主桁架斷面高度為12m，上弦桿截面為1200mm×1200mm～1000mm×1000mm，下弦桿截面為1000mm×1200mm～800mm×800mm，腹桿截面基本為600mm×600mm，上下弦桿與斜腹桿交錯穿插。桁架柱為三角形格構柱，每根格構柱由兩根1200mm×1200mm箱型外柱和一根1200mm×1200mm菱形內柱組成，腹桿截面為1000mm×1200mm。桁架柱上端大、下端小，上端與主桁架相連，下端埋入鋼筋混凝土承臺內，并將屋蓋荷載傳至基礎。
    除菱形內柱下端（標高＋1.500m處）采用了Gs20Mn5V鑄鋼件外，屋蓋主結構主要采用Q345D、Q345GJD及Q460E鋼材，鋼材強度等級要求較高。
    本工程主結構約為21700t，其中桁架柱約為10500t，主桁架約為11200t。
    2 桁架柱簡介
    桁架柱是主結構中很重要的一部分，桁架柱的吊裝一方面可以為主桁架的吊裝積累經驗，另一方面可以通過對桁架柱的控制達到對整個主結構質量、工期的有效控制。
    由于桁架柱柱截面巨大，單體重量重，單根組合柱的最大重量達700多噸，根據鋼柱的重量分布以及吊機的工況，采用分段安裝的方法。整根桁架柱分為下柱和上柱兩部分，這樣既可以滿足吊機的工作性能要求，又可以有效的避免由于分段過多增加高空焊接量。上柱、下柱均在地面胎架上整體拼裝，根據實際重量及吊機情況確定分段位置，兩段之間用卡碼臨時固定。

    圖3 桁架柱吊裝工藝流程
    3 桁架柱吊裝準備
    3.1 構件驗收：
    桁架柱吊裝前要注意桁架柱拼裝進度及拼裝質量，其中拼裝質量主控項目為：構件預拼裝尺寸偏差、構件幾何尺寸：
    3.1.1 構件預拼裝尺寸偏差



    3.2 吊機行走路線、工況的確認
    由于桁架柱單重較大，拼裝形態(tài)與吊裝形態(tài)不同，需在吊裝過程中翻身，為了確保吊裝過程的安全，故采用雙機抬吊的方法。由于現場場地條件有限，大型吊機對場地要求較高，所以吊裝前對吊機行走路線、工況的確認尤為重要，其中主要包括以下幾項內容：
    ⑴吊機驗收與確認：包括800t和500t履帶吊的安全驗收；吊機工況、性能、狀態(tài)及油料準備情況的確認工作。
    ⑵現場平面規(guī)劃與清理：包括吊機站位點與行走路線、桁架柱的臨時擱置點、800t吊車配重擺放位置的規(guī)劃；吊機行走、超起配重的回轉范圍，桁架柱的臨時擱置區(qū)域內構件、工器具、雜物等的清理工作。
    ⑶路基箱鋪設：500t吊車行走路線路基箱鋪設長度需大于42m，順鋪，合計14塊路基箱，800t吊機行走路線路基箱鋪設長度需大于39.6m，其中吊裝站位點路基箱橫鋪，合計路基箱20塊。所有路基箱按規(guī)格2.5m×6m考慮，如規(guī)格不符，應確保鋪設長度。
    ⑷800t吊車配重準備就位：將所需配重塊放在設定的懸掛吊籃位置旁邊，以便800t吊車到位后能盡快掛上超起配重。
    ⑸基坑回填與確認：確?；靥顓^(qū)域和試壓承載力滿足吊裝要求。
    ⑹吊車站位：吊機應空車在吊車行走路線上來回走車，以壓實路面，然后按方案要求進行站位。

    3.3 吊耳、吊索具的檢查
    為便于平衡調節(jié)和空間角度調節(jié)，桁架柱下柱采用三點吊裝，上柱采用四點吊裝：
    下柱吊裝時，內柱設置主吊點和圓管吊耳，以便于起吊直立過程中鋼絲繩的轉動；兩外柱設置副吊點和板式吊耳，以便于桁架柱吊裝時的平衡調節(jié)。同時，為保證桁架柱外觀的美觀及起吊后鋼絲繩的受力，外柱上的吊耳均設置在桁架柱內側，內柱上的吊耳設在菱形內柱兩側。
    上柱吊裝時的吊點均設置在外柱彎扭段頂面，靠內柱一側的主吊點盡量靠近外柱內側腹板位置，且主吊繩采用走通方式，以確保主吊繩的受力，避免吊裝過程中出現三點受力甚至兩點受力的情況及鋼絲繩的滑動磨損。為確保受力平衡，加快桁架柱吊裝時空間角度調節(jié)速度和精度，副吊繩上設置滑輪組，并通過電動葫蘆和導向滑輪來調節(jié)副吊繩的總體長度。為加快吊裝進度，減少桁架柱吊裝時臨時措施用量，桁架柱脫胎和起吊直立過程中，500t輔助吊車吊點處不單獨另設吊耳，采用直接套兜的方式。但為防止鋼絲繩的損壞，內柱吊點處需增設圓弧型鋼板保護套和防滑鋼管。
    大型構件吊裝對吊耳及吊索具的要求較高，吊裝前首先要檢查吊耳位置是否準確，吊耳是否按要求在相應的位置增設加勁板，吊耳焊縫是否飽滿，焊縫表面有無裂紋、氣孔，吊索是否有斷股、冒油的現象，吊索與構件接觸位置是否增設相應保護措施減少摩擦。

    3.4 吊裝前其他準備工作
    ⑴雜物清理：主要包括影響桁架柱脫胎的拼裝平臺、拼裝定位板及其它雜物、垃圾的清理。
    ⑵枕木準備：在桁架柱的臨時擱置處擺放枕木，擺放位置為外柱節(jié)點位置，共需規(guī)格為0.2m×0.2m×2m的枕木16根。
    ⑶柱腳上口處操作平臺、安全通道搭設。
    ⑷穩(wěn)定加固措施：包括內部加強支撐、外部剛性拉撐、剛性拉撐包箍、風繩耳板的裝設。

    ⑸安裝用工裝件裝設：包括柱腳上口和桁架柱下端處的工裝件、定位板。
    ⑹吊索具掛好后，脫胎前要對桁架柱、拼裝胎架、索具、吊機等進行全方位的檢查，特別要防止拼裝胎架與桁架柱之間的連接未徹底清除。

    ⑺吊裝前，通過ANSYS建模分析得出桁架柱分段的重心位置并以此確定吊點位置。同時利用ANSYS軟件進行脫胎、起吊直立、吊裝及就位全過程吊裝工況模擬分析、吊耳設計與內外部加固支撐設計計算，計算內容包括變形、吊耳應力與吊耳設置處結構本體母材的局部受力驗算，確保吊裝過程中吊索具和結構本體不發(fā)生過大的變形和破壞。對于受力不滿足要求的部位，提前進行加固處理。

    4 桁架柱吊裝過程
    4.1 下柱吊裝過程
    4.1.1 構件脫胎
    桁架柱在指定的拼裝位置上整體拼裝好以后，先進行驗收，并做好臨時加固措施及其它準備工作，然后將桁架柱分段從胎架上吊出，臨時擱放在桁架柱吊裝時吊機指定站位點的作業(yè)半徑范圍內的地面上。
    桁架柱的脫胎采用800t吊車和500t雙機抬吊，吊點設置在桁架柱內柱的上下兩端。脫胎時，先將桁架柱提起，當構件完全脫離胎架并高過上節(jié)柱拼裝胎架的最高點后，兩吊車同時行走，待離開拼裝胎架一定距離后將桁架柱下降到離地面約1m的高度，此時800t吊車轉桿，500t吊車一邊轉桿，一邊繼續(xù)行走，直到桁架柱轉到指定位置，將桁架柱臨時擱置在地面上，以準備下一步的翻身工作。
    脫胎后，桁架柱兩外柱落地位置應間隔一定距離墊放枕木，并保持平整，以防止構件變形和油漆損壞。構件脫胎過程中要確保構件平穩(wěn)提升，兩端吊耳受力均勻，構件在空中無明顯晃動，這就要求對兩臺吊機的提升速度加以控制。脫胎時，先將桁架柱提起，當構件完全脫離胎架后，吊機保持靜止，待構件穩(wěn)定后兩吊機同時轉桿進行下一步。

    4.1.2 構件翻身
    桁架柱翻身是吊裝過程中難度最大、最重要的一環(huán)，翻身時，800t吊車和500t輔助吊車分別站在桁架柱兩側，吊車站好位并掛好鋼絲繩以后，兩臺吊車同時起吊，500t輔助吊車將桁架柱分段下端提升1m～2m后停止，800t主吊車則繼續(xù)緩緩提升桁架柱上端同時向500t吊車方向轉桿并起桿。為調整桁架柱的平衡，使內柱成垂直狀態(tài)，在外柱的下端設置導向滑輪，滑輪組的跑繩通過導向滑輪連到桁架柱上端的5t電動葫蘆上。在最終的調直過程中，通過電動葫蘆來慢慢收短滑輪組的鋼絲繩。當桁架柱接近直立時，500t吊車慢慢松鉤，直到500t吊車不受荷后，拿掉掛在桁架柱上的鋼絲繩，并退出桁架柱翻身的位置，此時桁架柱重量完全由800t主吊車承擔，構件翻身結束。


    4.1.3 構件就位
    桁架柱翻身直立后，在吊裝就位前，通過電動葫蘆及滑輪組對桁架柱進行調平，保證內柱垂直于地面。然后800t吊車原地轉桿到柱腳上方，吊車趴桿使桁架柱內柱垂直對準柱腳相應位置，緩緩落鉤，接近柱腳上端口時，吊車停止落鉤，再次通過電動葫蘆及滑輪組對桁架柱進行微調，保證桁架柱內、外柱下端口保持水平，并通過輕微的趴桿或起桿，使桁架柱下端準確對位。調整好以后，桁架柱保持平穩(wěn)時，800t吊車再緩緩落鉤使桁架柱準確就位。
    為保證桁架柱與柱腳的精確對位，在下節(jié)桁架柱與柱腳對接的位置設置對接耳板。桁架柱就位后，進行臨時固定。然后通過經緯儀、全站儀進行內柱垂直度的控制測量，及控制點坐標的測量，根據要求進行調整，直到符合要求。調整好以后，按照要求，對分段桁架柱進行拉接，同時進行柱腳與下節(jié)柱之間的焊接，且保證連續(xù)對稱焊接。

    4.2 上柱吊裝過程
    桁架柱上柱吊裝工藝及吊裝過程與下柱一致，在此不做贅述僅通過現場圖片圖示上柱吊裝過程。


    4.3 桁架柱吊裝過程中需注意的問題
    ⑴在桁架柱脫胎、翻身過程中，每進行一步要停頓一段時間，注意觀察吊耳及其附近的母材是否有開裂、變形現象，確保構件始終處于平穩(wěn)狀態(tài)，減少構件擺動。
    ⑵當構件翻身開始時，注意觀察吊機超起架是否離地，如翻身未完成超起架過早離地，則需要增加配重，如翻身結束超起架未離地需要減輕配重。
    ⑶構件就位后對構件各點空間坐標進行復測，如坐標無誤盡快拉設纜風繩，確保構件位置的穩(wěn)定性。
    ⑷由于現場場地狹小，在構件翻身過程中要注意兩臺吊機相對位置及其中間距離是否滿足構件翻身、立直所需空間，如果空間較小輔助吊機可以邊轉桿邊退車，確保構件翻身空間。
    ⑸在構件立直過程中及時確認滑輪組行程是否充足，如滑輪組行程用完需及時處理。
    ⑹為減少吊機轉場、路基箱鋪設的時間，要求在確定下柱吊裝吊機站位點時充分考慮上柱吊裝時吊機站位要求，合理確定吊機站位點，做到下柱、上柱吊機一次站位。
    ⑺桁架柱就位時注意控制各坐標點及菱形柱的垂直度，根據場內已建立的控制網，利用經緯儀或全站儀測設出管口的定位軸線，標記鮮明。一根桁架柱需放樣出6條定位線，確保桁架柱各點坐標準確。用經緯儀測量菱形內柱的垂直度，確保整根桁架柱的垂直度。
    5 結束語
    國家體育場作為2008年奧運會主體育場設計、施工均有其獨到之處，隨著2008年奧運會的日益臨近該體育場必定成為世人關注的焦點。該體育場鋼結構的圓滿完工標志著我公司在大型體育場館的建設領域登上了一個新的高度，為我公司日后承攬類似工程積累了技術、施工、質量、管理等方面的寶貴經驗，成為我公司新的里程碑，也將激勵我們?yōu)楦玫膭?chuàng)建“寶冶”品牌而努力。
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