工程难点及施工方案的选择

1 工程难点

(1) 支撑塔架设置难度大 :根据国家体育场钢结构“散装”总体方案 , 在进行屋面主桁架的安装时 , 其下方需设置大量的临时支撑塔架 , 且支撑塔架的设置对整个工程的施工安全、质量、工期及成本控制至关重要。由于国家体育场钢结构为大跨度空间巨型钢桁架结构 , 桁架截面高度及结构高度高 , 节间距离大 , 重量重 , 风载较大 , 支撑塔架受力情况复杂 , 设计难度大。同时 , 钢结构安装时 , 其下方的混凝土看台结构已施工完毕 , 支撑塔架的布置受到一定程度的限制 , 支撑塔架设置难度较大。

(2) 构件体型大、重量重、形体怪异 , 安装难度大:本工程中 , 桁架柱的最大断面达 25m × 20m , 高度为 67m , 单榀最重达 700t 。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。加之桁架柱和立面次结构的形体怪异 , 吊装难度大。

(3) 合拢难度大 :国家体育场钢结构属特大型大跨度钢结构 , 主桁架双榀贯通最大跨度 258. 365m 。由于结构形成过程和使用过程存在较大的温差 , 使用过程中 , 结构中会产生较大的温度变形和温度应力。因此 , 根据北京地区的极限最低温度和极限最高温度 , 设计上设置了严格的合拢温度 , 即结构体系最终形成时的温度 , 以减少温度变形和温度应力。为确保合拢线上的对接口按设计要求的合拢温度同时合拢 , 需组织大量的人力和物力 , 且必须进行严格的温度监测、周密的部署及施工安排 , 合拢难度大。

(4) 卸载难度大 :国家体育场钢结构受力体系为中央大开口的斜交桁架双层网壳 , 表现出很强的空间几何非线性作用。根据总体施工方案 , 结构安装阶段 , 整个屋盖设置了 80 个支撑塔架 , 作为主桁架安装时的临时支撑 , 主结构安装完毕后 , 再进行支撑塔架的卸载和拆除。在进行支撑塔架的卸载过程中 , 结构体系逐步转换 , 结构本身和支撑塔架的受力均产生变化 , 卸载的先后顺序、卸载等级及工艺都会对其产生影响 , 需进行详细的工况分析。对于如此复杂的结构体系 , 工况分析及同步卸载控制难度大。

2 施工方案的选择

针对国家体育场钢结构工程规模大、结构形式复杂、测量测控及安装技术的挑战性、工期紧迫以及与其它分项工程交叉作业复杂等特点 , 整个屋盖钢结构的安装选用散装方案 , 即所有构件分成吊装单元分段进行安装 , 下设支撑塔架 , 高空对接 , 结构形成后进行卸载。

其中 , 主结构共划分为 230 个安装单元 , 桁架柱最大吊装单元重达 360t , 主桁架重约 250t , 最大吊装长度约 45m 。根据吊装单元的重量和作业半径 , 桁架柱和主桁架吊装采用 2 台 800t 履带吊和 2 台 600t 履带吊进行吊装 ,800t 履带吊布置在场外 ,600t 履带吊布置在场内。立面次结构、顶面次结构及楼梯马道采用 4 台 300t 履带吊和4 台 150t 履带吊分吊装单元进行吊装。

主结构总体安装顺序分为三个阶段六个步骤, 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 , 顶面次结构待支撑塔架卸载完毕再进行安装。

施工技术

1 支撑塔架设置

国家体育场屋盖钢结构属大跨度空间巨型桁架结构 , 为实施屋盖钢结构的安装和施工 , 根据钢结构特点、吊装分段形式和下部混凝土看台结构的布置情况 , 在主桁架下弦交叉节点的位置共设置了 80 个 3m × 3m 格构式支撑塔架。

为提高支撑塔架的整体刚度和稳定性 , 防止支撑塔架的沉降 , 支撑塔架的顶部设置桁架式水平支撑体系 , 底部设置 6m × 6m 的桩基台。同时 , 根据主结构的安装方案 , 将整体支撑塔架分成四大块 , 长短轴各两个区块 , 四个区块所有支撑塔架连成整体 。

为方便现场加工制作和安装 , 提高其经济性 , 支撑塔架和柱顶连系桁架的设计均采用标准段模数化的方式。支撑塔架的柱肢采用螺旋焊管 , 水平腹杆采用双角钢十字形布置 , 斜腹杆采用角钢 X 形交叉体系。为提高支撑塔架柱身的抗扭刚度 , 在每节标准段的两端和中间区域设置角钢交叉横隔。柱顶连系桁架的设计方式与支撑塔架基本相同。

同时 , 为便于主桁架的安装和支撑塔架的整体卸载 , 支撑塔架顶部设置十字形箱型梁和 H 型钢支顶装置。

2 巨型钢桁架吊装技术

根据桁架柱的特点、现场场地条件及工期要求等实际情况 , 桁架柱采用就近整体拼装、分段吊装的方法 , 分段双机抬吊、低空起吊直立、单机回转就位。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节。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。同时为确保安装过程中的稳定性 ,桁架柱安装时 , 下柱上端设置刚性拉撑 , 上柱顶端设置稳定风绳。刚性拉撑和稳定风绳均连到混凝土看台结构中的预埋件上。除内圈立体主桁架外 , 主桁架均采用平拼法。

根据主桁架的分段形式, 吊点设置总体分为两种 : 外圈和中圈的平面主桁架采用两点吊装 , 局部牛腿较长的桁架增设一个稳定吊点 ; 内圈立体主桁架采用三点吊装 , 一个主吊点和两个辅助吊点。所有吊点均设在桁架上弦节点区域对应内加劲或靠近内加劲的位置 , 以确保桁架上弦的局部受力要求。

主桁架安装时 , 对接口设置卡马 , 自由端设置侧向稳定风绳 , 桁架下弦下翼缘板与支顶装置焊接固定。对于首件吊装的主桁架 , 待所有固定措施和侧向稳定措施做好后 , 再进行缓慢松钩 , 以确保首件吊装的主桁架的安全和支撑塔架的安全。

3 合拢技术

国家体育场钢结构工程量大 , 结构安装需经历较长的时间跨度 , 为控制安装过程的变形 , 减少结构使用过程中的极限温度变形和温度应力 , 在安装主桁架的过程中 ,采用了分块安装法 , 即先将各分段主桁架在高空依次拼接为四个对称、均匀布置的独立板块 , 然后再将各独立板块连成一个整体 , 这一分块连成整体的过程就叫做合拢。

为确保合拢段施工过程中的安全 , 合拢段安装就位后 , 除设计要求的合拢口不进行焊接连接外 , 其它接口部位均及时焊接完毕 , 以增强结构的整体稳定性。同时 , 为确保合拢口在施工过程中因温度变化而自由伸缩 , 合拢口采用卡马搭接连接 , 卡马的大小和数量根据该接口部位的受力计算确定。

根据现场实际情况 ,结合设计提出的先行合拢构件需纳入后续合拢线合拢温度要求范围这一基本原则 , 国体育场钢结构的合拢按合拢线依次进行合拢 , 先进行主桁架的合拢 , 再进行立面结构的合拢 , 主桁架合拢时 ,先进行两大施工区域内部合拢线的合拢 , 再进行两大施工分区间合拢线的合拢 , 同一合拢线的各合拢口同时、同步合拢。

为防止合拢时因温度变化而产生过大的温度变形和温度应力 , 选择气温相对稳定的情况下进行合拢 , 即合拢安排夜间进行。由于合拢口数量多 , 焊接量大 , 要在短时间内将合拢口焊接完毕 , 难度较大。为此 , 实际合拢时 , 先将合拢口的所有卡马焊接固定 , 然后再进行合拢口焊缝的焊接。

4 卸载技术

国家体育场钢结构受力体系为中央大开口的斜交桁架双层网壳 , 表现出很强的空间几何非线性作用。根据总体施工方案 , 结构安装阶段 , 整个屋盖设置了 80 个支撑塔架 , 作为主桁架安装时的临时支撑 , 主结构安装完毕后 , 再进行卸载和拆除。

国家体育场支撑塔架的卸载具有卸载总吨位大 ( 重达 14000t) 、卸载点分广、点数多、同比卸载量变化大及单点卸载吨位大等特点 , 为确保结构的安全和整体外形 , 需控制各点同步下降。为此 , 采用液压同步控制系统来进行卸载。

液压同步控制系统采用一泵 2 顶方案 , 可多点同时顶升 , 也可单点动作 , 控制精度高达 2mm ～ 5mm

该系统主要由两部分组成 : 液压系统和电子监控系统。

开始工作前 , 首先将要控制的 78个点分成 10 个区域 , 分别由 10 个区域控制器来进行集中监控 , 工作过程中 , 通过人来直接操作预装在泵上的 3位 4 通手动换向阀来控制油液的流向 ( 即负载的升降 ) 。

同步顶升控制器接收安装在油缸边上的与重物相连的传感器所发出的信号 , 并将其送至区域控制器上 ,10 个区域控制器再将处理后的结果送至中央控制器 , 直接显示在显示器上并提示每一个泵站的操作员进行修正。对于大跨度空间结构 , 支撑体系的卸载顺序直接影响到支撑塔架的受力变化和结构本身的受力转换。

不同的结构形式 , 卸载顺序也会有所区别 , 但总体原则是确保支撑塔架的受力不超出预定要求和结构成形相对平稳。根据多次计算分析的结果 , 最终确定由外向内的卸载总顺序 , 分七大步和 35 小步进行卸载 , 并且在外、中、内三圈支撑塔架各圈卸载过程中保持同步 , 三圈支撑每次卸载的位移同各点的最终总位移保持等比关系。

张瑾屏 (1975 - ) , 女 , 学士 , 工程师 , 主要从事钢结构施工技术研究和管理

本文编辑：李修文返回搜狐，查看更多