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)工程的整個實施過程，介紹了該工程的特點和難點，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習意義。
        
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。
        
鋼結(jié)構(gòu)屋蓋上弦采用膜結(jié)構(gòu)作為屋面圍護結(jié)構(gòu)，選用透明的ETFE膜材料，屋蓋下弦的聲學吊頂采用白色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)計用鋼量約為4.8萬噸，設(shè)計使用年限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)附近截斷，避免了過于復雜節(jié)點的出現(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)點對齊，具有較好的對稱性。
        
2 工程特點與難點
        
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)形式復雜
        
國家體育場屋蓋建筑外表面的幾何形狀是由一個橢圓柱在一個圓環(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，整個結(jié)構(gòu)中存在大量的彎扭構(gòu)件。同時，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)點形式十分復雜，在同一結(jié)構(gòu)中每一個節(jié)點均不相同。
        


        
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)變形時不受力）。由于該結(jié)構(gòu)為空間曲面三維體，當主結(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)件復雜
        
該結(jié)構(gòu)構(gòu)件極為復雜，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110mm）,最大單件重達160多噸；外柱沿高度方向不斷扭轉(zhuǎn)，外柱與腹桿節(jié)點的形狀十分不規(guī)則，最重的一根桁架柱重達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，當構(gòu)件在此部位相交時，構(gòu)件的翼緣板在兩個方向均為曲面；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
        
彎扭構(gòu)件實體模型的建立是該項目詳圖設(shè)計的關(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。
        
實際工程中開發(fā)的無模多點成型技術(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)復雜，有箱型截面、斜T型截面，還有多邊形截面，箱體節(jié)點內(nèi)部橫、縱向隔板較多，其外形尺寸為5384×4755×6250，重達162 t，柱腳節(jié)點若整體組裝，無法滿足運輸條件，因此將柱腳分段，并進行預(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關(guān)鍵過程。
        


        


        
4 “ 十”大焊接技術(shù)的運用
        
“鳥巢”工程獨特的全焊接重型鋼結(jié)構(gòu)高空大跨度馬鞍型設(shè)計造型，結(jié)構(gòu)十分復雜，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)安全運營的主導工序。
        
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(實芯CO2氣體全自動焊)，F(xiàn)CAW-GA(藥芯CO2氣體全自動焊)。
        
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厚板高強鋼（厚板、Q460高強鋼）焊接技術(shù)
        
⑶CO2氣體高能密度保護焊接技術(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遠紅外預(yù)熱焊接技術(shù)
        
⑼自動焊接技術(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噸吊機吊裝86個主桁架安裝單元和48個桁架柱安裝單元；內(nèi)圈600噸吊機吊裝96個主桁架安裝單元。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履帶吊進行。其中300t履帶吊布置在外環(huán)，負責肩部次結(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)，負責內(nèi)圈及部分中間頂面次結(jié)構(gòu)的安裝，所選吊機的具體性能參數(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支撐，而使鋼結(jié)構(gòu)自主支撐受力。
        
“鳥巢”卸載點分布廣，在內(nèi)圈、中圈、外圈78個卸載點中，單點最小支撐力為100噸，最大的為300噸，其余的為200噸左右。78個支撐點需要等比整體卸載，劃分為十個區(qū)域，每個區(qū)域配一個控制器，每個卸載點配備2臺液壓千斤頂，內(nèi)圈每個卸載點配備一臺油泵，外圈和中圈每個油泵控制2個卸載點，按七大步進行卸載，每一大步又分為五小步進行，共計三十五小步。五小步驟實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個準確無誤的工藝環(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，此時這個區(qū)域的受力再次由鋼柱與千斤頂共同承擔。就這樣，千斤頂與鋼柱交替受力，交替下降，在上述5個位置上重復后，5小步驟再循環(huán)往復7次，也就是7大步驟，直至卸載完成。之所以如此細致分步進行，是為了卸掉臨時支撐，在給“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)加載過程中讓鳥巢均勻、漸進地自主受力。
        
“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)值有一個經(jīng)設(shè)計計算得出的理論值，但實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之一。2006年9月17日所進行的最后一次卸載設(shè)計理論計算值為286mm，實時監(jiān)控值為276mm，與理論計算值基本吻合，卸載非常成功。
        
卸載關(guān)鍵技術(shù)包括計算機仿真模擬技術(shù)、計算機同步控制技術(shù)和結(jié)構(gòu)安全檢測技術(shù)。
        


        
6 結(jié)語
        
國家體育場“鳥巢“工程是對整個鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的各個方面產(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、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環(huán)節(jié)的各個難關(guān)，本文只不過是對他們的工作成果進行了總結(jié)，在此對他們的工作表示感謝。
        

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