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    國家體育場“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)工程加工與安裝關(guān)鍵技術(shù)

    作者:建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
    時(shí)間:2009-12-22 20:25:58 [收藏]

      黃明鑫 劉子祥 戴為志 林觀志 俞榮華 劉中華

      摘要:本文從國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程的整個(gè)實(shí)施過程,介紹了該工程的特點(diǎn)和難點(diǎn),著重介紹了國家體育場的鋼結(jié)構(gòu)彎扭構(gòu)件、柱腳、桁架的加工和主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)安裝的關(guān)鍵技術(shù),簡要介紹了十大焊接技術(shù)的應(yīng)用,這些技術(shù)代表著目前國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的領(lǐng)先水平,對我國的鋼結(jié)構(gòu)工程師具有很好的學(xué)習(xí)意義。
      關(guān)鍵詞:國家體育場 鋼結(jié)構(gòu) 彎扭構(gòu)件 加工 安裝

      1 國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程概況
      1.1 工程簡介
      國家體育場位于北京市成府路南側(cè),奧林匹克公園中心區(qū)內(nèi),是北京2008年奧運(yùn)會的主體育場。工程建筑面積為25.8萬平方米,占地20.4公頃,建筑頂面呈馬鞍形。
      屋蓋主結(jié)構(gòu)由24榀高12m的平面主桁架圍繞體育場內(nèi)部碗狀看臺區(qū)旋轉(zhuǎn)而成,主桁架上弦位于建筑曲面之上,圍繞屋蓋中間的開口呈放射形布置,支撐在體育場外側(cè)周邊的24根巨型桁架柱上,屋蓋次結(jié)構(gòu)由一根根相互交錯(cuò)且位于主結(jié)構(gòu)上弦平面內(nèi)的箱形構(gòu)件組成,“任意”布置的頂面及立面次結(jié)構(gòu)與主結(jié)構(gòu)一起形成了"鳥巢"的特殊建筑造型。巨型桁架柱由菱形內(nèi)柱與箱形外柱及位于內(nèi)外柱平面內(nèi)的箱形腹桿組成,為了保證桁架外柱在由立面向頂面過渡部位的順滑,外柱在肩部全部做成了彎扭構(gòu)件,腹桿主要連接于外柱與立面次結(jié)構(gòu)的交點(diǎn)。
      鋼結(jié)構(gòu)屋蓋上弦采用膜結(jié)構(gòu)作為屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu),選用透明的ETFE膜材料,屋蓋下弦的聲學(xué)吊頂采用白色PTFE膜材料。主場看臺部分采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系,與大跨度鋼結(jié)構(gòu)完全脫開。

      1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)
      建筑長軸(南北向)332.3m,短軸(東西向)為297.3m,南北跨度方向最高點(diǎn)為69.9m,東西最低高度40.1m。屋蓋中間開洞長度為185.3m,寬度為127.5m。設(shè)計(jì)用鋼量約為4.8萬噸,設(shè)計(jì)使用年限100年。
      主桁架盡可能直通,并在中部形成由分段直線構(gòu)成的內(nèi)環(huán)。4榀主桁架在內(nèi)環(huán)附近截?cái)啵苊饬诉^于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)。用分段直線代替主桁架空間彎扭曲線弦桿,減小構(gòu)件的加工難度。將腹桿傾斜角度控制在60°左右,網(wǎng)格大小盡量均勻,上、下弦節(jié)點(diǎn)對齊,具有較好的對稱性。
      2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)
      2.1 規(guī)模大、尺度大
      鋼結(jié)構(gòu)屋蓋由主結(jié)構(gòu)與次結(jié)構(gòu)組成,屋頂主結(jié)構(gòu)均為箱型截面,上弦桿截面基本為1000mm×1000mm,下弦桿截面基本為800mm×800mm,腹桿截面基本為600mm×600mm,腹桿與上下弦桿相貫,桁架高度為12.000m。支撐主桁架的24根組合鋼柱(桁架柱)分別由兩根1200mm×1200mm的彎扭箱型外柱和一根菱形內(nèi)柱組成,荷載通過它們傳遞至基礎(chǔ)。立面次結(jié)構(gòu)截面基本為1200mm×1000mm,頂面次結(jié)構(gòu)截面基本為1000mm×1000mm。
      2.2 結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜
      國家體育場屋蓋建筑外表面的幾何形狀是由一個(gè)橢圓柱在一個(gè)圓環(huán)內(nèi)側(cè)切割出來形成的,立面則由一根與地面成75度左右夾角的一根直線沿著橢圓形曲面的邊緣旋轉(zhuǎn)形成,在頂面與立面之間通過半徑固定的圓弧過渡,從而形成整個(gè)鳥巢外表面。由于建筑要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件外表面位于建筑曲面上,因此,整個(gè)結(jié)構(gòu)中存在大量的彎扭構(gòu)件。同時(shí),由于鳥巢建筑外形無序編織的“凌亂”性,構(gòu)件相交形成的節(jié)點(diǎn)形式十分復(fù)雜,在同一結(jié)構(gòu)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均不相同。

      2.3 主次結(jié)構(gòu)安裝不同步
      為盡量降低工程量,次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為單梁形式,在主結(jié)構(gòu)自重變形完成后安裝(保證次結(jié)構(gòu)在主結(jié)構(gòu)變形時(shí)不受力)。由于該結(jié)構(gòu)為空間曲面三維體,當(dāng)主結(jié)構(gòu)安裝完成卸載后,主結(jié)構(gòu)上與次結(jié)構(gòu)連接的牛腿管口位置將發(fā)生較大變化(最大達(dá)400mm),這將給后期次結(jié)構(gòu)的安裝帶來極大的困難。
      2.4 構(gòu)件復(fù)雜
      該結(jié)構(gòu)構(gòu)件極為復(fù)雜,桁架柱柱腳外形尺度十分巨大(長、寬、高約4×5×6),板件厚(最厚達(dá)110mm),最大單件重達(dá)160多噸;外柱沿高度方向不斷扭轉(zhuǎn),外柱與腹桿節(jié)點(diǎn)的形狀十分不規(guī)則,最重的一根桁架柱重達(dá)700多噸;桁架柱肩部構(gòu)件全部為彎扭構(gòu)件,且彎扭幅度很大,當(dāng)構(gòu)件在此部位相交時(shí),構(gòu)件的翼緣板在兩個(gè)方向均為曲面;頂面主桁架由于在內(nèi)環(huán)附近相交的夾角很小,連接的腹桿較多,內(nèi)部空間十分狹小。

      2.5 材料種類多、鋼板厚
      整個(gè)結(jié)構(gòu)最大限度地利用了不同材料的特性,合理使用材料。該項(xiàng)目中選用鋼材有Q235B、Q345B、Q345C、Q345D、Q345GJC-Z、Q345GJD-Z、Q460E-Z等7種,還有一種鑄鋼件GS-20Mn5,這使工廠加工制作及材料管理的要求很高,同時(shí)大量不同材料間的焊接也為多種焊材的使用提出了更高要求。
      鋼板厚度從10~110mm不等,棱形柱底部和頂部少量為90~110mm,其余為50~80mm;方形斜柱板厚絕大多數(shù)為30、25、20mm。桁架板厚個(gè)別段為50mm外,其余均在40mm以下,大多數(shù)為30、25、20mm。腹桿板厚有20、14、10mm,多數(shù)為10mm。次結(jié)構(gòu)板厚最大36mm,絕大部分為20mm以下。
      3 加工關(guān)鍵技術(shù)
      3.1 深化設(shè)計(jì)
      彎扭構(gòu)件實(shí)體模型的建立是該項(xiàng)目詳圖設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之關(guān)鍵,通過在AutoCAD平臺上自行開發(fā)的程序很好的解決了這個(gè)問題,不但建模精度高,而且建模效率得以大大提高。
      3.2 彎扭構(gòu)件制作技術(shù)
      外柱彎扭構(gòu)件箱型截面較大(1200×1200mm),板較厚(最厚達(dá)60mm),焊縫均為全熔透焊縫,焊接量大,變形難以控制。次結(jié)構(gòu)彎扭構(gòu)件箱型截面由800mm~1200mm,板較薄(最薄為10mm)。由于板較薄,勁板數(shù)量多,節(jié)點(diǎn)處桿件相互貫穿,焊接空間較小。焊接變形較大,并且難以校正;空間定位困難,構(gòu)件測量較難。
      實(shí)際工程中開發(fā)的無模多點(diǎn)成型技術(shù)很好地解決了彎扭構(gòu)件的制作。

      3.3 巨型柱腳制作技術(shù)
      巨型柱腳結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有箱型截面、斜T型截面,還有多邊形截面,箱體節(jié)點(diǎn)內(nèi)部橫、縱向隔板較多,其外形尺寸為5384×4755×6250,重達(dá)162 t,柱腳節(jié)點(diǎn)若整體組裝,無法滿足運(yùn)輸條件,因此將柱腳分段,并進(jìn)行預(yù)拼裝。

      3.4 巨型桁架柱制作技術(shù)
      “鳥巢”菱形內(nèi)柱屬于組合鋼柱的一部分,截面為菱形狀,菱形內(nèi)柱和外柱之間有許多腹桿,特別是菱形內(nèi)柱下柱頂節(jié)點(diǎn)處,桿件交匯數(shù)量非常集中,有10余根腹桿相交,鋼板厚度大,制作難度高。制作中分為牛腿的預(yù)拼裝和桁架柱的拼裝兩個(gè)關(guān)鍵過程。


      4 “ 十”大焊接技術(shù)的運(yùn)用
      “鳥巢”工程獨(dú)特的全焊接重型鋼結(jié)構(gòu)高空大跨度馬鞍型設(shè)計(jì)造型,結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)難以控制。鋼結(jié)構(gòu)工程總用鋼量約4.8萬噸,共涉及7種鋼材:Q235B、Q345C、Q345D、Q345GJC、Q345GJD、Q460E、GS-20Mn5V。焊接貫穿整個(gè)工程,是工程的主要施工難關(guān)之一,是決定結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營的主導(dǎo)工序。
      主、次結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝焊縫大多為受力焊縫,根據(jù)設(shè)計(jì)要求均為一級全熔透焊縫,施工難度大,質(zhì)量要求高。鋼結(jié)構(gòu)安裝工程采用的焊接技術(shù)有SMAW、GSMAW、FCAW-G(H、F、V);部分采用了GMAW-A(實(shí)芯CO2氣體全自動(dòng)焊),F(xiàn)CAW-GA(藥芯CO2氣體全自動(dòng)焊)。
      為了確保國家體育場焊接工程的成功,采用了以下“十”大焊接技術(shù):
      ⑴控制應(yīng)力應(yīng)變焊接技術(shù)
      ⑵厚板高強(qiáng)鋼(厚板、Q460高強(qiáng)鋼)焊接技術(shù)
      ⑶CO2氣體高能密度保護(hù)焊接技術(shù)
      ⑷大規(guī)模采用仰焊技術(shù)
      ⑸低溫焊接技術(shù)
      ⑹抗層狀撕裂焊接技術(shù)
      ⑺異種鋼焊接技術(shù)
      ⑻遠(yuǎn)紅外預(yù)熱焊接技術(shù)
      ⑼自動(dòng)焊接技術(shù)
      ⑽寬間隙焊接處理技術(shù)

      5 鋼結(jié)構(gòu)安裝關(guān)鍵技術(shù)
      5.1 主結(jié)構(gòu)吊裝方案
      主結(jié)構(gòu)由24榀主桁架和24根桁架柱組成,共劃分為230個(gè)安裝單元,其中:主桁架共分為182段(平面桁架共166段,立體桁架共16段),最大吊裝重量約216 t,吊裝長度最大約45m;桁架柱共分48段,最大吊裝重量約288 t。
      采用兩臺履帶吊,外圈800噸吊機(jī)吊裝86個(gè)主桁架安裝單元和48個(gè)桁架柱安裝單元;內(nèi)圈600噸吊機(jī)吊裝96個(gè)主桁架安裝單元。其中桁架柱吊裝I區(qū)為一臺LR1800型,工況配置為:主臂56米,仰角88°,副臂35米,超起配重350 t 。II區(qū)為一臺CC4800型,工況配置為:主臂54米,仰角88°,副臂42米,超起配重260 t 。600t履帶吊均為CC2800型,工況配置為:主臂60米,仰角88°,副臂36米,超起配重250 t 。

      5.2 次結(jié)構(gòu)吊裝方案
      次結(jié)構(gòu)全面分布在建筑的外圈、內(nèi)圈、頂面和肩部。頂面及肩部次結(jié)構(gòu)的吊裝,每個(gè)施工區(qū)域選用1臺CC2000型300t履帶吊和1臺SC1500型150t履帶吊進(jìn)行。其中300t履帶吊布置在外環(huán),負(fù)責(zé)肩部次結(jié)構(gòu)、外圈及部分中圈頂面次結(jié)構(gòu)的安裝,150t履帶吊布置在內(nèi)環(huán),負(fù)責(zé)內(nèi)圈及部分中間頂面次結(jié)構(gòu)的安裝,所選吊機(jī)的具體性能參數(shù)分別如下:
      CC2000型300t履帶吊工況配置:主臂66米,仰角88°,副臂54米
      SC1500型150t履帶吊工況配置主臂56.4米,仰角80°,副臂36.6米

      5.3 鋼結(jié)構(gòu)支撐塔架卸載技術(shù)
      卸載是鋼結(jié)構(gòu)施工的重要環(huán)節(jié),即在鋼結(jié)構(gòu)完成合攏形成整體結(jié)構(gòu)后,卸除鋼結(jié)構(gòu)在施工過程中所賴以承托的臨時(shí)支撐,而使鋼結(jié)構(gòu)自主支撐受力。
      “鳥巢”卸載點(diǎn)分布廣,在內(nèi)圈、中圈、外圈78個(gè)卸載點(diǎn)中,單點(diǎn)最小支撐力為100噸,最大的為300噸,其余的為200噸左右。78個(gè)支撐點(diǎn)需要等比整體卸載,劃分為十個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域配一個(gè)控制器,每個(gè)卸載點(diǎn)配備2臺液壓千斤頂,內(nèi)圈每個(gè)卸載點(diǎn)配備一臺油泵,外圈和中圈每個(gè)油泵控制2個(gè)卸載點(diǎn),按七大步進(jìn)行卸載,每一大步又分為五小步進(jìn)行,共計(jì)三十五小步。五小步驟實(shí)施的位置按順序依次是:外圈、中圈、內(nèi)圈、中圈、內(nèi)圈。每一小步驟內(nèi),要經(jīng)歷3個(gè)準(zhǔn)確無誤的工藝環(huán)節(jié):第一環(huán)節(jié),升起千斤頂,使它與“墊塊”一起支撐鳥巢(墊塊是指鋼柱與鳥巢之間可以活動(dòng)的塊狀鋼鐵,每一根鋼柱的頂端都有50毫米厚的數(shù)塊墊塊);第二環(huán)節(jié),撤去鋼柱頂端的第一層墊塊,這個(gè)區(qū)域的受力完全由千斤頂支撐;第三環(huán)節(jié),千斤頂緩慢下降,一直降到第二層墊塊的高度,此時(shí)這個(gè)區(qū)域的受力再次由鋼柱與千斤頂共同承擔(dān)。就這樣,千斤頂與鋼柱交替受力,交替下降,在上述5個(gè)位置上重復(fù)后,5小步驟再循環(huán)往復(fù)7次,也就是7大步驟,直至卸載完成。之所以如此細(xì)致分步進(jìn)行,是為了卸掉臨時(shí)支撐,在給“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)加載過程中讓鳥巢均勻、漸進(jìn)地自主受力。
      “鳥巢”的巨大屋頂鋼結(jié)構(gòu)在卸載后會由于自重的原因而產(chǎn)生一定的下降位移 ,對于位移的數(shù)值有一個(gè)經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算得出的理論值,但實(shí)際的位移量由于種種原因不可能與理論值完全符合,這是卸載工作的難點(diǎn)之一。2006年9月17日所進(jìn)行的最后一次卸載設(shè)計(jì)理論計(jì)算值為286mm,實(shí)時(shí)監(jiān)控值為276mm,與理論計(jì)算值基本吻合,卸載非常成功。
      卸載關(guān)鍵技術(shù)包括計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)同步控制技術(shù)和結(jié)構(gòu)安全檢測技術(shù)。

      6 結(jié)語
      國家體育場“鳥巢“工程是對整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的各個(gè)方面產(chǎn)生重要影響的工程,該工程中的加工和安裝關(guān)鍵技術(shù)的成功應(yīng)用,達(dá)到提高了我國的鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平,也為我國培養(yǎng)了一大批鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的技術(shù)人才。長江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)股份有限公司參與了國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程的深化設(shè)計(jì)、加工和安裝的任務(wù),公司投入了大量的專家和技術(shù)骨干來攻克該工程中各個(gè)環(huán)節(jié)的各個(gè)難關(guān),本文只不過是對他們的工作成果進(jìn)行了總結(jié),在此對他們的工作表示感謝。

      參考文獻(xiàn)
      [1] 國家體育場施工組織設(shè)計(jì)文件,2005
      [2] 國家體育場鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件,2005
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