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國(guó)家網(wǎng)球中心新館鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架工程安裝技術(shù)

作者:周永明、丁劍強(qiáng) 、孫珍杰、李林元、余其平    
時(shí)間:2012-09-06 15:24:59 [收藏]
摘要:本文概述了國(guó)家網(wǎng)球中心新館鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架工程的結(jié)構(gòu)形式,總結(jié)了圓形開啟式大跨度網(wǎng)架工程的安裝技術(shù),著重介紹了本工程現(xiàn)場(chǎng)拼裝、吊裝及卸載方案,并對(duì)吊裝用臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)和安裝進(jìn)行了分析。
    關(guān)鍵詞:
    1、工程概況
    國(guó)家網(wǎng)球中心新館地處綠色掩映的奧林匹克森林公園內(nèi),為北京地區(qū)最大,具有國(guó)際先進(jìn)水平的網(wǎng)球比賽場(chǎng)館,總建筑面積約51199?,總用地面積約17公頃。賽時(shí)觀眾總數(shù)為13598人。為滿足賽事要求及多種功能需要,工程采用了可開啟式活動(dòng)屋蓋,見圖1。
          本工程主體建筑地上8層,周邊附屬用房1層,地下1層。建筑高度最高點(diǎn)為50米。屋蓋結(jié)構(gòu)為大跨度焊接球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)平面為投影直徑136.7m的圓形,結(jié)構(gòu)總用鋼量為2000多噸。 
          本工程屋蓋結(jié)構(gòu)主要由三部分組成:1、分布于場(chǎng)館周圍支承柱上的20個(gè)鑄鋼支座;2、支承上部開啟屋蓋的兩道軌道桁架;3、焊接球組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。
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    2. 工程重點(diǎn)難點(diǎn)分析
          2.1.屋面網(wǎng)架桿件眾多,現(xiàn)場(chǎng)安裝周期較短。
          2.2.施工場(chǎng)地狹小,拼裝場(chǎng)地相對(duì)分散。
          2.3.在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中,與土建單位相互交叉施工,影響吊車進(jìn)行構(gòu)件吊裝。
          2.4.為實(shí)現(xiàn)整體屋蓋曲面效果,構(gòu)件安裝定位、測(cè)量控制是整個(gè)安裝過程的難點(diǎn)。
          2.5.高空焊接質(zhì)量也是保證工程施工質(zhì)量的關(guān)鍵。
          2.6.屋蓋為焊接球網(wǎng)架,臨時(shí)支架數(shù)量較多,且下方有混凝土看臺(tái)結(jié)構(gòu),保證混凝土看臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全性也是本工程實(shí)施的重點(diǎn)。
    3、 現(xiàn)場(chǎng)拼裝及吊裝方案
    3.1 安裝方案的選定
          本工程鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工具有以下特點(diǎn):
          (1)整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)工程占地面積大,構(gòu)件數(shù)量較多,施工吊裝作業(yè)面大。
          (2)鋼結(jié)構(gòu)吊裝工期緊迫。
          (3)屋蓋結(jié)構(gòu)重量重,所需吊裝設(shè)備作業(yè)半徑較大,安裝高度達(dá)40多米,安裝難度大。
          (4)屋蓋下部為已完成的混凝土看臺(tái)結(jié)構(gòu),分布面積較大,對(duì)吊機(jī)的選擇提出了要求,另外鋼結(jié)構(gòu)安裝對(duì)混凝土施工形成交叉作業(yè),故施工協(xié)調(diào)要求高。
          (5)本工程局部為三層網(wǎng)架結(jié)構(gòu),其在安裝階段和整體成型后的空間剛度相差懸殊,對(duì)吊裝方法提出了嚴(yán)格要求。
          現(xiàn)場(chǎng)條件的限制較多,基于這種情況,排除了對(duì)下部混凝土施工有很大影響的搭設(shè)滿堂手架的方案,我們選擇了將屋蓋劃分成若干拼裝單元,在地面組拼完成,再采用大型履帶吊車從場(chǎng)外吊裝,結(jié)合高空嵌補(bǔ)散裝的安裝方案,即“分區(qū)施工、分塊吊裝”。此方案既能保證施工質(zhì)量又能滿足施工進(jìn)度,同時(shí)也可減少對(duì)其他專業(yè)工程施工的影響。
    3.2現(xiàn)場(chǎng)拼裝方案
    3.2.1. 現(xiàn)場(chǎng)拼裝主要內(nèi)容
          根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)擬定的吊裝方案,現(xiàn)場(chǎng)拼裝分如下兩種:
          1、 軌道桁架分段的拼裝;
          2、 焊接球網(wǎng)架分塊的拼裝。
    3.2.2.軌道桁架分段的拼裝
          每道軌道桁架重約200噸,分段按吊裝起重量進(jìn)行劃分,北區(qū)軌道桁架劃分為9個(gè)分段,南區(qū)劃分成8個(gè)分段,分段重量及編號(hào)如下圖2所示:
     
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          軌道桁架每三個(gè)吊裝分段在一起進(jìn)行預(yù)拼裝,檢查對(duì)接無誤后,做好對(duì)接標(biāo)記,將前兩個(gè)吊裝分段移走后,以第三個(gè)吊裝分段為媒介對(duì)后續(xù)拼裝單元進(jìn)行定位和精度控制,即“3+1”拼裝形式。通過此方法可以達(dá)到構(gòu)件的整體精度控制要求。
          軌道桁架的拼裝在專用平臺(tái)上進(jìn)行,在平臺(tái)上劃出上下弦桿、腹桿中心線,設(shè)置支撐胎架,胎架采用鋼管立柱加懸挑定位牛腿的形式設(shè)置,然后吊裝上、下弦桿件,分別從中間向兩端進(jìn)行定位組裝。
          上下弦桿件組裝后,進(jìn)行腹桿的組裝,完成后即進(jìn)行焊接,焊接采用CO2氣體保護(hù)焊,焊接從中心向兩端對(duì)稱焊接,先焊下弦后焊上弦,保證桁架產(chǎn)生向上的撓度,焊后UT探傷并進(jìn)行局部矯正。
          桁架分段組裝完成后進(jìn)行自檢,并交監(jiān)理方驗(yàn)收檢查,檢查合格后利用拼裝機(jī)械將桁架分段移至安裝位置附近準(zhǔn)備吊裝,下圖3。
     
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    3.2.3.焊接球網(wǎng)架分塊的拼裝
          網(wǎng)架部分共劃分成34個(gè)分塊,北區(qū)10塊,南區(qū)8塊,東區(qū)8塊,西區(qū)8塊,分塊如圖4所示:
     
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     3.2.4、雙層網(wǎng)架拼裝
          拼裝胎架設(shè)置時(shí)先根據(jù)網(wǎng)架坐標(biāo)轉(zhuǎn)化后的投影點(diǎn)鋪設(shè)鋼路基板,放設(shè)投影線、標(biāo)高線及支點(diǎn)位置,形成田字形控制網(wǎng),然后豎胎架直桿,設(shè)置懸挑定位牛腿及斜撐。胎架設(shè)置應(yīng)與相應(yīng)的網(wǎng)架設(shè)計(jì)、分段重量及高度進(jìn)行全方位優(yōu)化選擇,另外胎架高度最低處應(yīng)滿足全位置焊接所需的高度,驗(yàn)收合格后方可使用。
          將網(wǎng)架下弦層桿件吊上胎架進(jìn)行定位,定位后用卡馬固定,桿件焊接從中間向兩端進(jìn)行。然后進(jìn)行網(wǎng)架上弦層桿件的定位組裝及焊接。
          網(wǎng)架上下弦桿件定位組裝后,進(jìn)行腹桿的安裝,從中部向兩側(cè)對(duì)稱進(jìn)行,通過調(diào)整上下弦間距進(jìn)行安裝,定位后檢查,合格后對(duì)腹桿與上下弦桿焊接,焊接采用CO2氣體保護(hù)焊,焊接采用雙數(shù)焊工從中心向兩側(cè)對(duì)稱施焊,先焊下弦桿件,后焊上弦桿件,如圖5焊后進(jìn)行UT探傷。
     
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    3.2.5、三層網(wǎng)架拼裝

    三層網(wǎng)架的拼裝同樣在專用平臺(tái)上進(jìn)行,三層網(wǎng)架下層和中層網(wǎng)架的拼裝參照雙層網(wǎng)架分塊單元的拼裝工藝流程。拼裝完成后,進(jìn)行上層網(wǎng)架焊接球節(jié)點(diǎn)及腹桿的定位焊接。將上層網(wǎng)架單個(gè)焊接球節(jié)點(diǎn)與相連腹桿劃分成一個(gè)小單元進(jìn)行整體定位組裝,如下圖6所示:

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    根據(jù)已經(jīng)定位好的球節(jié)點(diǎn),進(jìn)行上層弦桿間嵌補(bǔ)桿的定位組裝,檢查合格后,對(duì)弦桿、腹桿與焊接球進(jìn)行焊接。
        網(wǎng)架分塊單元組裝焊接結(jié)束后,拆除定位焊,使網(wǎng)架單元呈自由狀態(tài),通過全站儀測(cè)量采集數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)理論數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較,確定網(wǎng)架組裝焊接的誤差,并填寫測(cè)量記錄,作為吊裝定位依據(jù)。
         3.3現(xiàn)場(chǎng)吊裝方案
         3.3.1.臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)
         (1).支撐布置:臨時(shí)支撐在整個(gè)結(jié)構(gòu)吊裝過程中起著承重作用,吊裝完成后,又通過臨時(shí)支撐對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載,所以支撐的設(shè)置顯得尤為重要。根據(jù)方案每個(gè)吊裝單元設(shè)置四個(gè)臨時(shí)支撐,如圖7共182根。
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        (2).支撐設(shè)計(jì):結(jié)合本工程吊裝分段重量重,安裝高度高,下部為混凝土看臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),臨時(shí)支撐采用格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。胎架的最大受力為35t(極限承載力為60t),此時(shí)胎架水平變形20mm,豎向變形5mm,滿足受力要求。為增加支撐穩(wěn)定性,相鄰支撐通過橫向桁架連接,形成門架式支撐體系。對(duì)于部分高度較高的支撐拉設(shè)纜風(fēng)繩。見圖8

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        (3).支撐下部結(jié)構(gòu)加固:臨時(shí)支撐下端與混凝土看臺(tái)連接處須保證混凝土結(jié)構(gòu)不被破壞,對(duì)設(shè)置在混凝土柱上的支撐不必進(jìn)行另外加強(qiáng),對(duì)設(shè)置在混凝土板上的支撐支通過加設(shè)轉(zhuǎn)換鋼梁進(jìn)行受力轉(zhuǎn)換,將支撐的受力傳至斜看臺(tái)梁上,確保結(jié)構(gòu)及吊裝安全。
        3.3.2. 機(jī)械設(shè)備的配置要求
        根據(jù)選定的方案及網(wǎng)架、桁架的分塊重量,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的施工條件,吊裝機(jī)械選用400噸履帶吊(48米主臂+60米副臂工況),其最大起重量為49噸,起重半徑最大為74米。按此工況對(duì)照每一分塊單元的重量,HJ1-HJ17為軌道桁架,最大吊裝分塊是HJ10和HJ17,重38.4t;X1-X4、D1-D4為雙層網(wǎng)架,最大吊裝分塊是X1和D1,重22.7t;其余分塊為三層網(wǎng)架,最大分塊是X5和D5,重40.6t。每一分塊單元的重量均在吊車的起吊能力之內(nèi),滿足施工要求,同時(shí)也說明了對(duì)網(wǎng)架和桁架的分塊的合理性。
        吊裝前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)路面采用C20混凝土或碎石進(jìn)行硬化處理。
    3.3.3. 安裝順序
        吊裝從西北側(cè)開始起吊。吊車行走路線如圖9所示:
     

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        履帶吊繞結(jié)構(gòu)外側(cè)道路進(jìn)行吊裝時(shí)需注意以下要求:1、整體結(jié)構(gòu)施工階段,場(chǎng)地四周共布置四臺(tái)塔吊,分別位于結(jié)構(gòu)的東南西北四個(gè)角點(diǎn)。履帶吊位于塔吊附近吊裝時(shí),應(yīng)協(xié)調(diào)塔吊,避免履帶吊臂桿與塔吊臂桿沖突。2、由于履帶吊在結(jié)構(gòu)外側(cè)吊裝,結(jié)構(gòu)安裝時(shí)履帶吊車司機(jī)無法目測(cè)場(chǎng)內(nèi)安裝情況,故安裝過程中應(yīng)配備經(jīng)驗(yàn)豐富的起重司機(jī)和場(chǎng)內(nèi)指揮人員,保證安裝的順利進(jìn)行。
        3.3.4. 吊裝分塊吊點(diǎn)的設(shè)置
        三層網(wǎng)架分塊是不規(guī)則形狀,吊裝前吊點(diǎn)的選擇帶來了不少難度,對(duì)此我們先在CAD模型中確定分塊的重心位置,根據(jù)重心的位置選擇合理的吊點(diǎn)。
        在吊裝過程中,根據(jù)已選定的吊點(diǎn)系上吊裝繩索,移出胎架后待分塊處于平衡時(shí)再起吊,分塊不能處于平衡時(shí),則對(duì)吊點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整。

    3.3.5. 吊裝驗(yàn)算分析
        為保證吊裝時(shí)分塊、支撐及下部混凝土結(jié)構(gòu)的安全,選擇典型的吊裝分塊進(jìn)行吊裝、落架驗(yàn)算見圖10~12。
        (1) 吊裝分塊HJ10
        吊裝驗(yàn)算
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    結(jié)論:網(wǎng)架分塊最大豎向變形10.04mm,去除繩索向下伸長(zhǎng)約9mm,網(wǎng)架自身變形10.04-9=1.04mm,1.04/8000,滿足變形要求。網(wǎng)架分塊最大組合應(yīng)力12.35Mpa,滿足強(qiáng)度要求。網(wǎng)架分塊應(yīng)力比小于1,滿足穩(wěn)定要求。
          落架驗(yàn)算見圖13~15
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    結(jié)論:網(wǎng)架分塊最大豎向變形0.21mm,0.21/8000=1/40000,滿足變形要求。網(wǎng)架分塊最大組合應(yīng)力10.72Mpa,滿足強(qiáng)度要求。網(wǎng)架分塊應(yīng)力比小于1,滿足穩(wěn)定要求。
    (2)吊裝分塊D5
          吊裝驗(yàn)算見圖16~18

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    結(jié)論:網(wǎng)架分塊最大豎向變形28.48mm,28.48/18000=1/632,滿足變形要求。網(wǎng)架分塊最大組合應(yīng)力70.04Mpa,滿足強(qiáng)度要求。網(wǎng)架分塊應(yīng)力比小于1,滿足穩(wěn)定要求。
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          結(jié)論:網(wǎng)架分塊最大豎向變形2.73mm,2.73/18000=1/6593,滿足變形要求。網(wǎng)架分塊最大組合應(yīng)力-38.96Mpa,滿足強(qiáng)度要求。網(wǎng)架分塊應(yīng)力比小于1,滿足穩(wěn)定要求。
          3.3.6. 構(gòu)件起拱
          本工程跨度達(dá)80米,且有重約500噸的活動(dòng)屋蓋支承在軌道桁架上,結(jié)構(gòu)會(huì)有一定的變形,見圖22。根據(jù)計(jì)算得到變形值如;D1=D2=5.95mmD3=D4=49.20mm
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    由圖中可知,變形值最大的部位在南北桁架和東西網(wǎng)架的中間位置,根據(jù)圖中計(jì)算出的變形值確定每塊吊裝單元的起拱值,吊裝時(shí)根據(jù)起拱值進(jìn)行起拱。
    3.3.7.吊裝定位要求
          所有準(zhǔn)備工作完成后,按照計(jì)劃進(jìn)行第一榀桁架的吊裝,全程采用全站儀進(jìn)行定位,完成后進(jìn)行下一榀桁架的吊裝,兩榀桁架吊裝完成后進(jìn)行中間嵌補(bǔ)桿件的安裝,確保已吊裝單元能形成整體穩(wěn)定體系。
          同樣的每一榀網(wǎng)架吊裝完成后進(jìn)行嵌補(bǔ)桿件的安裝,按計(jì)劃依次進(jìn)行。最后選擇合理?xiàng)l件進(jìn)行整體合攏,見圖23~25。
     
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    4. 結(jié)構(gòu)卸載分析
          鋼結(jié)構(gòu)整體合攏以后,在混凝土后澆帶澆注完畢且強(qiáng)度達(dá)到80%設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí),進(jìn)行整體卸載工作。根據(jù)計(jì)算模擬卸載前和最終成形后的變形,來確定大體的卸載思路,見圖26~28。  
     
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    工程卸載共分為3個(gè)區(qū),一區(qū)為外圈形成的區(qū)域,二區(qū)為中間四個(gè)支撐形成的區(qū)域,其余部分為三區(qū)。
     
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    一區(qū)在合攏工作完成后,將支座擱置在設(shè)計(jì)位置,不進(jìn)行完全固定;2區(qū)四個(gè)大柱子嵌補(bǔ)桿件安裝完成后即進(jìn)行完全固定。整體卸載后,一區(qū)16個(gè)支座在自重變形作用下,將有部分支座出現(xiàn)拉力,支座先不固定可將此拉力完全釋放掉,支座變形完成后再將1區(qū)16個(gè)支座進(jìn)行完全固定。卸載時(shí)一區(qū)處支點(diǎn)一次到位全部卸載,二區(qū)支點(diǎn)一次到位全部卸載,三區(qū)支點(diǎn)分三步循環(huán)卸載。三區(qū)分為左右支撐點(diǎn)和上下支撐點(diǎn)四個(gè)小分塊,卸載時(shí)先卸載左右支撐點(diǎn),再卸載上下支撐點(diǎn),循環(huán)3次完成三區(qū)胎架卸載工作,每一個(gè)小分塊內(nèi)的支撐點(diǎn)卸載時(shí)采用“等比同步”卸載,如圖29~31
          通過全過程的卸載分析,可得知結(jié)構(gòu)卸載過程中的應(yīng)力變化情況,為結(jié)構(gòu)卸載安全提供計(jì)算依據(jù)。
     
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    將結(jié)構(gòu)卸載過程中典型部位的應(yīng)力和應(yīng)變情況繪出圖表,同時(shí)跟蹤支撐反力的變化,以得到支撐在卸載過程中出現(xiàn)的最大反力,為支撐設(shè)計(jì)提供依據(jù)。如下圖所示,
     
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    經(jīng)過以上卸載分析表明,按上述順序進(jìn)行支撐卸載,在卸載過程中,主體結(jié)構(gòu)緩慢受力,變形均勻,沒有出現(xiàn)受力及變形突變情況,典型部位屋蓋的應(yīng)力變化從40Mpa逐漸增加到160MPa,豎向撓度從2mm逐漸增加到50mm,最大反力為35t,胎架最大應(yīng)力190MPa,滿足強(qiáng)度要求,胎架變形較小,剛度要求亦可滿足。在工程實(shí)際卸載過程中也驗(yàn)證了此方法的安全、可靠、可行,見圖32~33。
     
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    5.結(jié)語
          國(guó)家網(wǎng)球中心新館采用開啟式活動(dòng)屋蓋,結(jié)構(gòu)跨度大,給施工帶來了不少難度,本文闡述了網(wǎng)架工程的拼裝、吊裝及卸載技術(shù)方案,對(duì)國(guó)內(nèi)首座大跨度開啟式屋蓋網(wǎng)架工程的安裝技術(shù)進(jìn)行了較為全面、系統(tǒng)的研究和論證,為國(guó)內(nèi)此類工程的安裝提供了先例。同時(shí)本工程高質(zhì)量、高效率按時(shí)完工,也充分證明了我公司在同類工程中的技術(shù)實(shí)力和管理水平。
          6.參考文獻(xiàn)
          [1]  陳紹蕃,《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.1998.第二版
          [2] 《空間結(jié)構(gòu)》,中國(guó)計(jì)劃出版社,2003.12
          [3] 《重慶袁家崗體育場(chǎng)網(wǎng)殼罩棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》,鄧開國(guó)等,中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院,2003.11
          [4] 侯兆欣,張海軍,季小蓮等,新加坡MEGA會(huì)展中心大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù),施工技術(shù),2000,VOL.29,NO.9,PP15-17

          作者簡(jiǎn)介:周永明(1973-),江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司設(shè)計(jì)所所長(zhǎng),   工程師、一級(jí)建造師
     






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