国家体育场(鸟巢)钢结构桁架柱安装技术

建　筑　技　术　第４１卷第７期２０１０年７月　・５８８・　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｚｖ　Ｖｏ１．４１　Ｎｏ．７　Ｊｕｌｙ．２０１０　国家体育场（鸟巢）钢结构桁架柱安装技术　王　磊　（中信建设有限责任公司，１０００２７，北京）　摘要：国家体育场（鸟巢）的构件截面均为箱形截面，且空间位置复杂。其桁架柱截面大，单体重量重，整　根柱吊装难度大。通过合理设计施工器械，精确计算施工数据，采取分段安装、双机抬吊等施工方法，按时保量　地完成了桁架柱的安装。　关键词：国家体育场；桁架柱；分段安装；双机抬吊　中图分类号：ＴＵ　７５８　文献标识码：Ｂ　文章编号：１０００—４７２６（２０１０）０７—０５８８—０４　ＩＮＳＴＡＬＬＡＴＩｏＮ　ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ　ＯＦ　ＮＡＴＩＯＮＡＬ　ＳＴＡＤＩＵＭ（ＢＩＲＤ　Ｓ　ＮＥＳＴ）　ＳＴＥＥＬ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ　ＴＲＵＳＳ　ＣＯＬＵＭＮ　ＷＡＮＧ　Ｌｅｉ　（ＣＩＴＩＣ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，１０００２７，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｔａｄｉｕｍ　（Ｂｉｒｄ　Ｓ　Ｎｅｓｔ）ａｄｏｐｔ　ｂｏｘ－ｔｙｐｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｓｐａｃｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｒｕｓｓ　ｃｏｌｕｍｎ，ｈｅａｖｙ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ａｎｄ　ｄｉｆｉｆｃｕｌｔ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｌｉｆｔｉｎｇ，ｈｉｇｈ－ｑｕａｌｉｔｙ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｒｕｓｓ　ｃｏｌｕｍｎ　ｉｓ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ　ｏｎ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ａｃｃｕｒａｔｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｄａｔａ，　ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｏｕｂｌｅ－ｃｒａｎｅ　ｌｉｆｔｉｎｇ，ｅｔｃ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｔａｄｉｕｍ；ｔｒｕｓｓ　ｃｏｌｕｍｎ；ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ；ｄｏｕｂｌｅ－ｃｒａｎｅ　ｌｉｆｔｉｎｇ　国家体育场（鸟巢）位于北京市成府路南侧，奥林　用刚性支撑与就近的混凝土结构拉结，上段桁架柱在　匹克公园中心区内，是北京２００８年奥运会的主体育场。　下段桁架柱完成对口焊接后再进行吊装，就位后采用　建筑顶面呈马鞍形，长轴为３３２．３　ｍ，短轴为２９７．３　ｍ，最　柔性拉索与混凝土结构拉结，以确保每个分段在安装　高点高度为６８．５ｍ，最低点高度为４０．１　１３＇１。屋盖中间开　过程中及立面次结构安装前的稳定。在桁架柱安装过　洞长度为１８５．３　ｍ，宽度为１２７．５　ｍ。钢结构总量４．２万ｔ，　程中设置两个作业面，其中一个在北侧的第一标段，该　构件截面均为箱形截面，整体构成不规则的鸟巢形体，　标段桁架柱安装顺序为Ｐ２，Ｐ１，Ｐ２４，Ｐ２３，Ｐ２２，Ｐ２１，Ｐ３，　其空间位置复杂多变，形体宏大、美观。　Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ８；另外一条作业线设置在南侧的第二　１钢结构桁架柱安装的总体方案　标段，此标段桁架柱安装顺序为Ｐ１４，Ｐ１３，Ｐ１２，Ｐ１１，　Ｐ１０，Ｐ９，Ｐ１５，Ｐ１６，Ｐ１７，Ｐ１８，Ｐ１９，Ｐ２０。钢楼梯柱、钢楼　桁架柱截面大，单体重量重，单根桁架柱的最大重　梯及立面次结构的安装，应在桁架柱安装完成后及时　量达５００ｔ，高度达６７ｍ，整根柱吊装难度极大。根据桁　跟进安装。　架柱的重量分布及起重机资源，采用分段安装方法，分　段断口设置于桁架柱直线段。为确保桁架柱的制作质　２桁架柱分段　量和安装进度，将桁架柱直接在拼装胎架上进行整体　桁架柱为三角形截面组合柱。主要由一根菱形内　立体拼装并分段焊接。因运输条件限制分段节点制作，　柱和两根箱形外柱组成，内外柱之间设有箱形腹杆，两　故在安装分段线位置采用对接连接板固定，使桁架柱　外柱之间则设有箱形立面次结构。桁架柱截面上大下　在胎架上形成整体。桁架柱拼装完成并验收合格后，摆　小，上端与主桁架相连，下端与柱脚相接。为保证吊装　放于吊装指定位置。桁架柱采用双机抬吊，旋转立直，　进度和安装质量。桁架柱分段时必须依照以下原则进　主起重机回转就位的吊装方法。下段桁架柱就位后采　行：　（１）分段长度和分段重量必须满足起重机性能要　收稿日期：２０１０—０４—１０　作者简介：王磊（１９７８一），男，河北人，工程师，项目经理，ｅ—ｍａｉｌ　求；　ｗ１９６０７＠１６３．ｃｏｍ．　（２）各吊装分段必须为具有一定整体性和刚度的　２０１０年７月　王磊：国家体育场（鸟巢）钢结构桁架柱安装技术　・５８９・　空间实体，以满足吊装时的受力要求；　根据桁架柱翻转直立过程中的重量分配，辅助起　重机的最大允许起重量为１７３　ｔ，起重控制半径设定为　（３）分段位置应尽量避开节点区，包括桁架柱内　部节点及立面次结构和内楼梯梁的交叉节点：　（４）应确保上部弯扭段为一整体安装分段，避免　高空对接弯扭接口：　（５）尽量保证两外柱之间的立面次结构能随桁架　柱一起吊装：　１０ｍ，因此对辅助起重机的选择为ＣＣ２０００￣（表３）。　表３　ＣＣ２０ｏｏ型３００ｔ起重机工况性能　工况配置　Ｉ　主臂４２ｍ，２５０ｔ吊钩　（６）分段位置应避开厚板区域、高强钢区域、不等　厚区域及扭转区域，并尽可能使制作分段与现场分段　位置相结合：　（７）菱形内柱与箱形外柱的分段截面应在同一高　度，以保证对口的安装质量；　（８）尽量减少分段数量，以加快安装进度。　根据上述原则。将桁架柱分为两段，即柱下段和　柱上段，分段本体重量为２１０～２６５　ｔ，分段安装顶点标　高为２３．５５０～６７．１２２ｍ，吊装重量为２３７～２８８ｔ。其中吊　装重量＝本体重量＋安全设施、平台、爬梯重量（３　ｔ）＋吊　具重量１０ｔ（含吊环、扁担、钢丝绳）；本体重量中含铸　钢件、外柱节点托座重量，以及柱间次结构重量。　３起重机选择　桁架柱整体重量重，起吊高度高，作业半径大，为　此，在进行桁架柱的安装时需采用特大型起重机。根据　分段吊装工艺和最大分段重量（约２８８　ｔ），选用２台８００ｔ　履带式起重机在场外进行桁架柱的吊装。其中１台为　ＬＲ１８００型（表１），负责Ｉ区桁架柱吊装，另外１台　ＣＣ４８００—１型（表２）负责ＩＩ区桁架柱吊装。　表１　ＬＲ１８Ｏ０型８００ｔ履带式起重机选用ＳＤＷＢ－ｒ况性能　工况配置　主臂５６ｍ，仰角８８。，副臂３５ＩＴＩ，超起配重３５０ｔ　工作半径／ｍ　额定吊重／ｔ　吊钩重量／ｔ　允许吊重／ｔ　表２　ＣＣ４８００—１型８００ｔ履带式起重机选用ＳＷＳＬ工况性能　工况配置　主臂５４ｍ，仰角８８。，副臂４２ｍ，超起配重２６０ｔ　工作半径／ｍ　２０　２２　２４　２６　２８　３０　３２　额定吊重／ｔ　３０８　３０８　３０８　３０８　３０８　３０４　２８５　吊钩重量／ｔ　１３．５　１３．５　ｌ３．５　ｌ３．５　１３．５　１３．５　１３．５　允许吊重／ｔ　２９４．５　２９４．５　２９４．５　２９４．５　２９４．５　２９０．５　２７１．５　萋额吊允　许定钩霎重吊　Ｉ量重／，ｔ　｛ｌＩ　２１０４９３　ｌＪＩ　ｌ１４７９　５Ｉ『　ｌ４３　０６ｆｌ　Ｉｎ１４Ｏｏ　６Ｉｌ　９８４　７ｔｌＪＩ　７４６　２Ｉ｛ｌ　荸６４２　４吊装索具的选用　桁架柱最重吊装段为２８８　ｔ，根据桁架柱形状及分　段重量、长度、起吊方法及吊机性能等，采用吊耳吊装。　为满足受力要求．吊耳应设置在桁架柱的节点区。其　中，上段柱应设在内柱柱顶及外柱与腹杆相交的节点。　下段柱应设在内外柱与腹杆相交的最上面的节点处　（图１）。为便于吊装和考虑到桁架柱的外观质量要求，　上段柱吊耳都设在柱顶外表面，下段柱吊耳设在柱的　内侧。每段柱吊装都设置３个吊点，由于桁架柱吊装段　重量大，所以在每个吊点上设置两个吊耳，用双股钢丝　绳，以减小吊装索具分担的拉力。吊耳的设计不但要满　足受力要求，还要使吊耳的方向能满足构件翻身和吊　装两个工况的受力要求。　｜　ｉ　Ｉ　魍，／　。■　－　．●　－　１　ｉ　－　受起重量限　．．　，部分次结　－＿　一　构后装　●　１　圈　。　１＇簟　ｒｒ　（ａ）　【ｈ）　图１桁架柱吊点设置示意　（ａ）示意ｌ；（ｂ）示意２　根据吊耳的布置情况初选一定长度的钢丝绳，钢　丝绳的长度应满足不同吊点之间所挂钢丝绳在夹角不　大于６０。时能起吊，然后进行受力分析，算出钢丝绳的　荷载分配情况，选择合适的钢丝绳。为保证桁架柱吊装　时的平衡以及就位时的对口准确，应采用滑轮组或稳　定平衡索来调节一个或多个吊点到吊钩的距离。此时。　还应考虑滑轮组的承载能力和滑轮组中所用钢丝绳的　承载能力。　・５９０・　建筑技术　第４１卷第７期　５　吊耳设计　６钢丝绳设计及卸扣选用　１主钢丝绳设计　桁架柱吊装要经过脱胎、翻转、起吊、就位等多个　６．工序过程。因此桁架柱吊装用的吊耳应考虑到每个过　桁架柱吊装时，主钢丝绳的选用要考虑脱胎、翻　程的受力情况和构造要求，以防止吊耳变形破坏。吊点　转、吊装就位这３个工况的受力要求，其中受力最大的　的选择不仅要考虑起吊时构件本身的受力情况，还应　确保吊装钢丝绳不受桁架柱内部杆件的影响。由于桁　架柱较重．且重心偏向内柱，吊装过程中吊点与吊耳受　力较大。所以主吊点均应设置在内柱上。　为主钢丝绳承受的全部吊装重量。同时，钢丝绳的长度　要满足起吊时钢丝绳之间的夹角不大于６０。的要求。　考虑到８００　ｔ履带式起重机在２４　ｍ作业半径情况　下，最大起重能力为３２８ｔ，所以在选用钢丝绳时，每根　下段柱内柱的吊耳采用圆管形式，便于翻转过程　中钢丝绳的转动。副吊点设置在两外柱上，便于桁架柱　吊装时的平衡调节。同时，为保证桁架柱外观的美观及　起吊后钢丝绳的受力，外柱上的吊耳均设置在桁架柱　内侧，内柱上的吊耳设在菱形内柱两侧，吊耳的设置位　置如图２所示。　）～１　＼　Ｊ　Ｌ　（ａ）　（ｂ）　图２下段柱内柱吊耳设置位置示意　（ａ）外柱；（ｂ）内柱　上段桁架柱的主吊耳设置在内柱柱顶，并在两个　外柱的圆弧过渡段的上部设置两个吊耳，如图３所示。　口　．　（ａ）　（ｂ）　图３上段柱的吊耳设置示意　（ａ）正面图；（ｂ）侧面图　钢丝绳的最大受力为：　Ｆ＝Ｇ／（４ｘｓｉｎ６０。）＝３　２８０／（４ｘＯ．８６６）＝９４７（ｋＮ）。　拟选用直径为１１０ｍｉｌｌ、公称抗拉强度１　８７０Ｎ／ｍｍ２　的８ｘ６１＋ＦＣ纤维芯钢丝绳。　经验算，所选钢丝绳满足吊装要求。根据桁架柱分　段情况及起重机性能等综合考虑，主钢丝绳长度选３０　ｍ，数量为２根。　６．２副钢丝绳设计　桁架柱外柱上的钢丝绳在桁架柱翻转前期不受　力，翻转到将近直立状态时开始受力。外柱上的钢丝绳　在直立及吊装就位时受力最大，由于桁架柱重心位置　偏向内柱，经过计算，两外柱吊绳承受的力小于桁架柱　重力的一半。所选钢丝绳按起重机在２４ｍ作业半径起　重能力的一半考虑，￣１３Ｇ＝３２８／２＝１６４（ｔ）。　Ｆ＝Ｇｌ（４ｘｓｉｎ６０。）＝１６４０／（４ｘ０．８６６）＝４７３（ｋＮ）。　拟选用直径为７４ｍｍ、公称抗拉强度１　８７０Ｎ／ｍｍ２的　６￣６１＋ＦＣ纤维芯钢丝绳。　经验算，所选钢丝绳均满足吊装要求，钢丝绳长度　为２０ｍ，数量为２根。　在吊装就位时，为保证内柱的垂直度，在两外柱的　钢丝绳与吊耳之间分别设置一滑车组。根据吊绳荷载　分配情况。每根外柱设置一个８轮型号为ＨＱＤ８—８０吊　环型滑车，滑轮组配直径２６　ｈｉｍ、公称抗拉强度１　８７０　ＭＰａ的纤维芯６ｘ１９＋１的钢丝绳。　７桁架柱拼装及起重机站位　由于桁架柱的安装分段重量均超过了２００ｔ，因此　该类构件的安装属于超大型构件的安装，对于起重设　备的定位和起吊、落钩等一系列的位置都必须进行细　化。而且桁架柱沿整个体育场的周边布置，因此所有桁　架柱均采用大型履带式起重机在外围进行安装，由于　采用的大型履带式起重机均选用了超起性能，而且超　起配重的工作幅度大于２２ｍ，如果采用全位置回转，则　外围的场地要求和构件的安装半径都较大，因此在外　围的桁架柱安装过程中，桁架柱的拼装位置将给予详　２０１０年７月　王磊：国家体育场（鸟巢）钢结构桁架柱安装技术　・５９１・　细的规划，避免大型履带式起重机的全位置回转和安　装半径过大。　受起重机负载行走的限制，总平面布置图要求就　８００ｔ主起重机．逐步提升过　近进行桁架柱拼装，拼装完成后，进行脱胎和翻转工　作，翻转后应使得桁架柱距离安装位置最近，以满足起　重机安装就位的作业半径要求。　８安装顺序与工艺流程　８．１桁架柱安装顺序　桁架柱安装安排在两个阶段，按４个步骤进行。第　一阶段第１步：Ａ区Ｐ２，Ｐ１，Ｐ２４（Ｂ区Ｐ１４，Ｐ１３，Ｐ１２）；第一　阶段第２步：Ａ区Ｐ２３，Ｐ２２，Ｐ２１（Ｂ区Ｐｌｌ，Ｐ１０，ｐ９）；第一　阶段第３步：Ａ区Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５（Ｂ区Ｐ１５，Ｐ１６，Ｐ１７）；第二阶段　第ｌ步：Ａ区Ｐ６，Ｐ７，Ｐ８（Ｂ区Ｐ１８，Ｐ１９，，，　，Ｐ２０）。　ｒ　、　、　８．２桁架柱安装工艺流程　＼　下段桁架柱脱胎一下段桁架柱翻转一下段桁架柱　吊装　吊装就位一临时固定一找正调整一点焊及焊接　固定（确保安全后）一起重机松钩　与柱脚焊接（确保　安全后）一上段柱吊装（顺序同上）。　９桁架柱安装工艺措施　桁架柱在安装过程中，均采用独立悬臂安装的顺　序。由于桁架柱从下至上成发散的趋势，即头重脚轻。　为保证桁架柱在安装阶段的精确定位，以控制焊接过　程中的变形，必须在桁架柱与主桁架连接前做好必要　的工艺措施。　（１）桁架柱吊装前应将桁架柱从胎架上水平吊　出，吊装时要保证桁架柱的平衡，避免对胎架产生碰　撞，桁架柱脱胎后应放在吊装时起重机指定站位点的　作业半径范围内。　（２）在确定吊点和进行钢丝绳配置时，应先通过　计算准确定出吊装分段的重心，然后再确定吊点和配　置钢丝绳。吊装时，要保证内柱与地面垂直，吊钩应处　于分段重心的正上方。　（３）在桁架柱柱脚安装阶段，要控制柱脚端口的　水平度，并确保上段桁架柱在与柱脚对口时不需要过　大的外力即能精确定位。　（４）因桁架桂采用卧拼法，故吊装前要进行翻转。　桁架柱翻转直立时，利用一台３００ｔ履带式起重机配合　８００ｔ起重机进行（图４）。同时，应根据施工图中的截面　尺寸和初步的节点设计，计算各分段的重心位置和上　下吊点的荷载分配情况。　（５）为保证施工安全及便于操作，沿桁架柱的内　柱环向设置一圈操作平台，并在相隔一段距离设置环　地高度ｌ　２ｍ　３２ｍ改变为２０ｍ　（ａ）　（ｂ）　图４桁架柱翻转示意　（ａ）起吊；（ｂ）翻转　向平台楼梯。桁架柱吊装时在接口处应设操作平台，操　作平台由环向平台搭设引出（图５）。　图５桁架柱上段吊装工况　（６）吊装时。下段桁架柱与柱脚之间、上下段桁架　柱之间应设置工装件，以确保各管口的对口精度，并避　免桁架柱受力情况下的焊接。　（７）因为桁架柱的菱形内柱与地面垂直，角度方　向容易控制，故吊装就位时，先进行内柱的对口工作，　同时应确保内柱的垂直度、标高及轴线偏差符合标准　要求。　（８）在桁架柱的焊接过程中，采用对称焊接，并在　培训焊工的同时，强调焊工换位焊接。在焊接打底阶　段，应加强桁架柱偏位的检测，及时纠正因焊接引起的　偏移。焊接完总长度的２／３以后，方可松钩。　（９）与混凝土结构的临时固定装置，在结构未形　成整体稳定体系之前不得拆除。