国家体育场钢结构施工关键技术

国家体育场钢结构施工关键技术李久林高树栋邱德隆李文标万里程魏义进陈桥生提要：本文主要从方案选择、施工部署、主次结构吊装、钢结构合拢和支撑卸载以及厚板焊接等方面对国家体育场钢结构工程安装过程中的关键施工技术进行了介绍，期望对类似工程施工提供参考。关键词：钢结构、吊装、合拢、卸载、厚板焊接、关键施工技术1工程概况国家体育场钢结构工程由24榀门式刚架围绕着体育场内部混凝土碗状看台区旋转而成，其中22榀拉通或基本拉通。大跨度钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件，交叉布置的主结构与屋面、立面的次结构一起编织成“鸟巢”的造型。所有钢结构构件形成结构及建筑外形。钢结构屋面呈双曲面马鞍型，最高点高度为68.5m，最低点高度为40.1m；平面上呈椭圆形，长轴为332.3m、短轴为297.3；屋盖中部的开口内环呈椭圆型，长轴为185.3m，短轴为127.5m；大跨度屋盖支撑在24根桁架柱之上，柱距为38.0m。屋顶主结构均为箱型截面，上弦杆截面基本为1000mm×1000mm，下弦杆截面基本为800mm×800mm，腹杆截面基本为600mm×600mm，腹杆与上下弦杆相贯，屋顶桁架矢高12.0m。竖向由24根组合钢结构柱支撑，每根组合钢结构柱由两根1200mm×1200mm箱型外柱和一根菱形内柱组成，每个桁架柱下设有一个T型钢柱脚，荷载通过它传递至基础。立面次结构截面基本为1200mm×1000mm，顶面次结构截面基本为1000mm×1000mm。设计总用钢量约42000吨。钢板的最大厚度110mm。当钢板厚度≤34mm时，采用Q345钢材；当钢板厚度≥36mm时，采用Q345GJ钢材；当钢板厚度为100mm时，采用Q345GJ和Q460钢材；当板厚为110mm时，采用Q460钢材。具体板厚分布情况如图1-2所示。另外，桁架柱内柱由菱形截面向矩形截面转换处采用GS-20Mn5V级铸钢件（C19桁架柱除外），铸钢件最厚达140mm。而且，设计对钢材的抗撕裂性能和冲击韧性作了明确要求。具体情况如表1-1、表1-2所示。另外，设计规定钢结构的合拢温度为14±4℃，支撑塔架卸载按照“分阶段整体分级同步”原则进行。2工程特点及难点2.1大量采用空间弯扭构件、节点复杂，加工制作及安装难度大为了体现“鸟巢”独特的建筑造型，本工程大量采用空间弯扭构件，无固定的线型。同时，本工程中无论是主结构之间，还是主次结构之间，都存在多根杆件空间汇交现象；加之次结构复杂多变、规律性少，造成主结构的节点构造相当复杂，节点类型多样，制作、安装精度要求高。如图2-1。2.2构件体型大、单体重量重，构件翻身、吊装难度大作为屋盖结构的主要承重构件的桁架柱最大外形尺寸达25m×20m×68.5m，分两段吊装，吊装单元最重达360多吨，吊装高度最高达68.5m。而主桁架高度12m，双榀贯通最大跨度约260m，吊装单元最重262吨，构件最长约43m。由于构件体型较大，重量重，各类构件重心位置互不相同，翻身时吊点的设置和吊耳的选择难度较大，特别是桁架柱的翻身，吊耳在翻身和吊装时的受力有所变化，需考虑三向受力。翻身过程中的稳定性控制难度大。起吊时，必须调整好分段构件的角度和方位，而对于体型大、重量重的构件，角度调节相当困难，吊装难度大。如图2-2。2.3焊接量大、焊接难度大本工程为全焊接钢结构，焊缝总长度约30万m，焊缝折算总长度约280万m。钢板厚度从3mm到110mm，焊接位置涉及平焊、横焊、立焊和仰焊，且焊接工作跨整个冬季。既有高强钢（Q460E-Z35）的焊接，又有铸钢件（GS-20Mn5V）的焊接。薄板焊接变形大，厚板焊接熔敷量大，温度控制和劳动强度要求高。而高空焊接、冬雨季焊接的防风雨和防低温措施更使得焊接难度增大。2.4安装精度控制难、施工质量要求高由于施工过程中结构本身因自重和温度变化均会产生变形，结构形体复杂，均为箱型断面构件，位置和方向性均极强，安装精度受现场环境、温度变化等多方面的影响，安装精度极难控制。施工时必须采取必要的措施，提前考虑好如何对安装误差进行调整和消除，如何进行测量和监控，使变形在受控状态下完成，以保证整体造型和施工质量。另外，本工程无论是外观质量，还是内在质量（如焊缝质量等级等），都要求相当高。其中，钢板拼接、弯扭段构件组装焊缝及现场拼装、安装焊缝均为全熔透一级焊缝；钢结构立面在距视线10m内可见焊缝的余高要求为0~1mm，所有焊缝表面均需进行磨光处理。2.5合拢口多、合拢温度要求严，实施难度大根据设计要求，本工程中的主桁架和立面结构各设置了四条合拢线。其中，主桁架合拢口100个（含上、下弦和腹杆），立面结构的合拢口28个，合拢口数量众多。虽立面结构和主桁架可采取分次合拢方案，但一次合拢的对接口数量仍高达50个，为确保合拢线上的对接口同时合拢，需组织大量的人力和物力。而且，整个钢屋盖安装及制作误差最终均集中在这四条合拢线，选择何种合拢方式来消纳这种误差难度特别大。同时，对于如此复杂的结构和复杂的温度场分布情况，要保证分次合拢时的温度条件基本一致，难度巨大。2.6卸载点多、吨位重、设计要求高，同步控制难度大本工程卸载点多、卸载吨位大，屋盖总面积约60000平方米、卸载吨位约14000吨，78个卸载点，设计要求“结构整体分级同步卸载、严格进行比例控制”，单点卸载吨位大、最大点支撑力约300吨，卸载实施难度大。2.7顶面及肩部次结构安装难度大顶面及肩部次结构在主结构卸载之后进行安装，卸载之后主结构发生变形，而现有的加工制作依据是卸载前位形，所以卸载前后的变形量将会严重影响次结构的安装精度。同时，施工过程中结构本身因自重和温度变化均会产生变形，加之，结构形体复杂，箱型断面构件的位置和方向性强，安装精度很难控制。3施工方案选择国家体育场钢结构为特大型大跨度空间结构，构件自重产生的内力所占比例较大。钢结构施工顺序对结构构件在重力荷载作用下的内力将产生明显影响。为了满足国家体育场工程总工期的要求，按照施工组织总设计的部署，看台混凝土结构先行施工，钢结构随后进行施工。因此协调钢结构安装与混凝土结构施工的关系，对保证混凝土看台连续施工、钢结构的顺利安装、室内装修工程及机电设备工程及时插入以及外围基座尽早施工具有重大的意义。大跨度钢结构常用的安装方案有整体提升、滑移、分段吊装高空组拼方法(简称散装法)和局部整体提升等方式。针对国家体育场钢结构工程及其与其它分部工程之间的时间和空间关系，在钢结构安装方案的选择过程中对比考虑了上述四种方式。由于采用整体提升方案时看台混凝土部分不能先期施工，因而室内装修工程、机电设备工程无法提前插入，导致在总体工期上受到限制；采用滑移方案时，受到施工场地的限制以及面临的巨大技术挑战等因素，因此主要进行了散装法和局部整体提升法的比选。根据调整后初步设计的具体技术条件，鉴于以下主要原因：屋盖钢结构调整设计后已经没有真正意义上的“内环桁架”；由各榀贯通的主桁架形成的“内环桁架”平面尺度很大，而且截面板厚比调整设计前有了较大幅度的减小，同时存在较大的高差，整体刚度较差；由于钢屋盖内边界在东西侧已经扩大到一层看台的边线、南北侧到跑道的外侧，采取在地面进行“内环桁架”的整体拼装、提升的方案将对混凝土看台施工产生较大影响。主结构设计修改前后变化，详见图3-1。鉴于上述原因，最终确定钢结构总体安装方案采用高空散装方案。4施工部署主结构的安装顺序遵循对称同步、尽早形成安装区域局部稳定的原则。总体上分为三个阶段八个区域，第一阶段安装1、2区域；第二阶段安装3、4区域，第三阶段安装5、6、7、8区域。次结构的安装顺序对整体钢结构的安装具有重要的影响，为了加强在每个安装阶段及支撑塔架卸载过程中的整体侧向稳定性，确定在支撑塔架卸载前随每个阶段钢组合柱的安装进行立面次结构的安装。根据设计要求，顶面及肩部次结构在主结构卸载完成后进行安装。5主结构吊装根据本工程的结构特点和结构体系的形成过程，主体钢结构安装划分为三个阶段八个区域，分阶段分区域对称进行安装。由于主体钢结构由钢柱和主桁架两大部分组成，施工时，先安装钢柱，然后安装主桁架，保证结构体系的逐步形成。5.1吊机选择根据总体分段安装思路、支撑胎架的布置情况、分段重量、作业半径及起吊高度，钢柱与外圈主桁架分段由2台800t履带吊场外进行吊装、内圈与中圈主桁架分段由2台600t履带吊场内进行吊装。5.2安装流程根据现场场地条件、吊机的搭配及施工任务的分工情况，整个钢结构系统的施工分成两大施工区域，两大施工区域“分区进行、对称安装”。如图5-1所示。5.3吊装工况主结构吊装分场内吊装和场外吊装两部分。场内和场外吊装工况如图5-2所示。6次结构吊装次结构吊装分立面次结构和顶面及肩部次结构两部分。立面次结构安装，随桁架柱安装分柱间逐步进行。安装时，按照“柱脚先装、联系钢柱的次结构整体吊装，其它次结构分段安装”的原则进行分段，按“从下向上，与钢柱先建立联系，由柱边向中间安装的”原则顺势向上进行安装，钢柱本身的次结构，在钢柱拼装时，与钢柱一起拼装然后分段吊装。典型立面次结构吊装分段及安装顺序如图6-1。顶面及肩部次结构的安装在支撑塔架卸载以后进行，安装时总体上遵循分区同步对称安装原则，即I、II两区域同步对称进行安装。根据顶面及肩部次结构的分布情况及结构受力情况，顶面及肩部次结构的安装共分为二个阶段：第一阶段安装肩部次结构和内圈顶面次结构，第二阶段安装中圈顶面次结构。肩部和中圈的安装均从南北方向向东西两侧推进，内圈顶面次结构的安装从安装分界线与肩部顺序相向推进。具体的安装顺序如图6-2。7钢结构合拢7.1合拢断面选择本工程结构复杂，跨度较大，屋顶主桁架相互交错，合拢线的选择比较困难。在确定合拢线时，不但要考虑结构本身的受力和变形情况，同时还应考虑钢结构的整体安装顺序和主桁架的安装分段情况，尽量减少合拢点的数量，并确保施工过程的安全。同时顶面主结构是由24榀拉通或基本拉通的门式桁架编织而成，合拢断面的选择应尽量将24榀门式刚架断开。经过反复择优比选并通过设计复核，主桁架、立面结构及顶面次结构的合拢线确定如下:主桁架沿屋盖环向设置四条合拢线，主桁架的合拢线充分利用钢结构的两条分区施工线，另增设两条合拢线；为保证整个结构的合拢，立面结构与顶面次结构沿屋盖环向在与主体钢结构合拢断面相应的位置设置四条合拢线；安装时，合拢线处所有钢结构杆件均断开，采用卡马临时搭接，并保证合拢口的伸缩自由。根据以上情况，主桁架共有96个合拢口，立面次结构共有28个合拢口，主桁架下弦连系梁共有4个合拢口，总计128个合拢口。合拢口位置具体见图7-1和图7-2。7.2合拢顺序根据现场实际情况，结合设计提出“先行合拢构件需纳入后续合拢线合拢温度要求范围”的原则，本工程的合拢顺序为：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；立面次结构一次同步合拢；同一合拢线的各合拢口同时、同步合拢。7.3合拢温度关于合拢温度，设计要求本工程的合拢温度为14±4℃。然而，根据钢结构工程总体进度安排，合拢时间安排在8月中下旬。经查阅工程所在地近三十年气象资料，无法满足该合拢温度。为此，经有关部门协调和经过气象、规划等部门的大量研讨论证，根据北京市朝阳气象站1959年至2005年共47年气象资料，并结合全球气温变化趋势，设计对合拢温度作如下调整：主结构合拢温度：19±4℃，相当于15℃~23℃；次结构合拢温度：19℃-8℃~19℃+4℃，相当于11℃~23℃。实际合拢施工时，为了对合拢时钢结构的温度进行监测以确保设计合拢温度要求，在整个钢结构布设了60个温度测点，对钢结构本体温度进行全程实时监测；同时，邀请北京市专业气象台在现场设立临时天气预测站点，提前对天气气温条件作出预测，以指导合拢时机的选择。合拢施工时温度监测结果表明，在选定的操作时间段内所有合拢施工均满足设计合拢温度要求，具体温度监测结果图7-3、7-4、7-5所示。7.4合拢口安装工艺由于本工程合拢口数量众多，且合拢段的