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國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)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(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程的整個(gè)實(shí)施過(guò)程，介紹了該工程的特點(diǎn)和難點(diǎn)，著重介紹了國(guó)家體育場(chǎng)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(jiǎn)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(guó)內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的領(lǐng)先水平，對(duì)我國(guó)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(guó)家體育場(chǎng) 鋼結(jié)構(gòu) 彎扭構(gòu)件 加工 安裝

    1 國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程概況
    1．1 工程簡(jiǎn)介
    國(guó)家體育場(chǎng)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(huì)的主體育場(chǎng)。工程建筑面積為25.8萬(wàn)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(chǎng)內(nèi)部碗狀看臺(tái)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(kāi)口呈放射形布置，支撐在體育場(chǎng)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(niǎo)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(guò)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(chǎng)看臺(tái)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(kāi)。

    1．2 設(shè)計(jì)參數(shù)
    建筑長(zhǎng)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(kāi)洞長(zhǎng)度為185.3m，寬度為127.5m。設(shè)計(jì)用鋼量約為4.8萬(wàn)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)?，避免了過(guò)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(duì)齊，具有較好的對(duì)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(guò)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(guó)家體育場(chǎng)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(lái)形成的，立面則由一根與地面成75度左右?jiàn)A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(guò)半徑固定的圓弧過(guò)渡，從而形成整個(gè)鳥(niǎo)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(niǎo)巢建筑外形無(wú)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(lái)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(zhǎng)、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(guò)在AutoCAD平臺(tái)上自行開(kāi)發(fā)的程序很好的解決了這個(gè)問(wèn)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?。ㄗ畋?0mm）。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(cè)量較難。
    實(shí)際工程中開(kāi)發(fā)的無(wú)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(wú)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(niǎo)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(guò)程。


    4 “ 十”大焊接技術(shù)的運(yùn)用
    “鳥(niǎo)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(wàn)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(yíng)的主導(dǎo)工序。
    主、次結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)安裝焊縫大多為受力焊縫，根據(jù)設(shè)計(jì)要求均為一級(jí)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(guó)家體育場(chǎng)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(zhǎng)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)CC2000型300t履帶吊和1臺(tái)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(guò)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(niǎo)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(tái)液壓千斤頂，內(nèi)圈每個(gè)卸載點(diǎn)配備一臺(tái)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(wú)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(niǎo)巢（墊塊是指鋼柱與鳥(niǎo)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(niǎo)巢”鋼結(jié)構(gòu)加載過(guò)程中讓鳥(niǎo)巢均勻、漸進(jìn)地自主受力。
    “鳥(niǎo)巢”的巨大屋頂鋼結(jié)構(gòu)在卸載后會(huì)由于自重的原因而產(chǎn)生一定的下降位移 ，對(duì)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(cè)技術(shù)。

    6 結(jié)語(yǔ)
    國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢“工程是對(duì)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(guó)的鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平，也為我國(guó)培養(yǎng)了一大批鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的技術(shù)人才。長(zhǎng)江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)股份有限公司參與了國(guó)家體育場(chǎng)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(lái)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(guò)是對(duì)他們的工作成果進(jìn)行了總結(jié)，在此對(duì)他們的工作表示感謝。

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