2008年奧運(yùn)會老山自行車館雙層球面網(wǎng)殼安裝

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    汪道金 張艷明 宋昌永 韓光國 蘇建成

    【摘 要】 奧運(yùn)會自行車館工程是第一個實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)封頂?shù)膴W運(yùn)項目，它設(shè)計新穎、結(jié)構(gòu)形式獨(dú)特，是由網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、環(huán)形管桁架和下端鉸支的傾斜人字柱組成的組合結(jié)構(gòu)體系，施工中采用分區(qū)施工、整體提升和空中合攏的綜合施工法，達(dá)到了質(zhì)量好、施工速度快和施工成本低的理想效果。本文主要介紹了大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼施工的重點(diǎn)、難點(diǎn)、安裝方案的優(yōu)化以及方案實(shí)施的工藝控制等要點(diǎn)。
    【關(guān)鍵詞】逐圈外擴(kuò)、逐步提升 高空原位散拼 空中合攏
    一、工程概況
    2008年奧運(yùn)會老山自行車館工程位于北京市石景山區(qū)老山西街15號，總建筑面積：32250?，局部有一層地下室，地上三層，下部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部屋蓋為雙層球面焊接球網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，圓形屋蓋水平投影直徑為149.536m，矢高為14.69m，網(wǎng)殼厚度為2.8m，頂標(biāo)高為35.29m，整個屋蓋系統(tǒng)由24組向外傾斜15°、高度10.35m的人字柱支撐，人字柱下端通過鑄鋼支座與混凝土結(jié)構(gòu)鉸接連接。鑄鋼支座起始標(biāo)高6.95米，人字柱柱頂支撐跨度為133.06m，柱腳周邊直徑為126.40m。該網(wǎng)殼是目前我國跨度最大的雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)之一。其效果圖如圖2所示。
    施工中為便于區(qū)分，將整個屋蓋系統(tǒng)分為A、B、C三個區(qū)（如圖3所示），其中：
    A區(qū)為焊接球網(wǎng)殼部分，鋼材材質(zhì)為Q345B，主要構(gòu)件為焊接空心球和無縫鋼管（直縫焊管）。焊接球規(guī)格從D300－D600共六種規(guī)格，其中D450以上的焊接球采用加肋球。無縫鋼管（直縫焊管）規(guī)格從Φ114－Φ203共五種規(guī)格。A區(qū)網(wǎng)殼總重量為570噸。
    B區(qū)為環(huán)形管桁架系統(tǒng)，鋼材材質(zhì)為Q345C，是由一圈Φ1200鋼管、三圈Φ500鋼管及Φ245腹桿組成的封閉環(huán)形相貫線節(jié)點(diǎn)連接的管桁架結(jié)構(gòu)， 用于抵抗網(wǎng)殼的水平推力，傳遞網(wǎng)殼的豎向荷載，與A區(qū)網(wǎng)殼共同組成屋蓋系統(tǒng)，B區(qū)環(huán)梁系統(tǒng)總重量為780噸。
    C區(qū)為人字柱和鑄鋼支座。人字柱共24組，每組由兩根Φ1000×18的鋼管相貫焊接而成，單根長度為12m。鑄鋼支座共24套，由于我國的鑄鋼節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺，本工程鑄鋼支座按德國標(biāo)準(zhǔn)DIN17182執(zhí)行，材質(zhì)為GS16Mn5N。每套鑄鋼支座總重量為8.8噸，由四個部件組成，各部件連接部位需要采用精密機(jī)加工。鑄鋼支座總重量200噸，人字柱總重量260噸。鋼結(jié)構(gòu)工程總用鋼量為1810噸。


    二、施工重點(diǎn)和難點(diǎn)
    1、鑄鋼支座單件重量達(dá)8.8噸，為球鉸可轉(zhuǎn)動體系，需要在向外傾斜15°的預(yù)埋件上一次性安裝就位，安裝調(diào)整和定位難度大。
    2、人字柱每組重量達(dá)10.6噸，外形尺寸19m×12m，需要在傾斜狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)空中定位，同時要實(shí)現(xiàn)與鑄鋼支座的精確對接，安裝精度要求高。
    3、環(huán)梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件數(shù)量多，安裝精度控制不好將造成合攏困難。
    4、網(wǎng)殼部分覆蓋直徑達(dá)133.06米，網(wǎng)殼施工時混凝土看臺已施工完畢，施工場地受很大限制，網(wǎng)殼施工方案的選擇及安裝精度控制直接關(guān)系到工程實(shí)施的安全性、經(jīng)濟(jì)性乃至整體鋼結(jié)構(gòu)安裝的成敗。
    5、現(xiàn)場焊接工作量大，焊縫多為全位置焊接，大量的焊接工作在冬施條件下完成，焊接工藝要求高。
    三、施工方案的確定
    根據(jù)本工程設(shè)計新穎、結(jié)構(gòu)形式獨(dú)特和施工難點(diǎn)多的特點(diǎn)。施工前，先后對以下幾種可能實(shí)施的方案進(jìn)行了詳細(xì)對比和認(rèn)真分析：
    1、搭設(shè)滿堂紅承重腳手架，網(wǎng)殼及環(huán)梁進(jìn)行高空原位散拼，屋蓋成型后安裝鑄鋼支座和人字柱。該方案技術(shù)難度低，易于整體控制。但需耗用大量的措施費(fèi)用，人字柱就位難度大，整體卸載工藝復(fù)雜。
    2、網(wǎng)殼中心部分采用計算機(jī)控制液壓系統(tǒng)整體提升，外圍部分與環(huán)梁沿環(huán)向分16片在地面胎具上拼裝，用大噸位履帶吊吊裝就位。吊裝前鑄鋼支座和人字柱提前安裝就位。該方案工藝先進(jìn)，科技含量高，但分塊尺寸超長超寬，現(xiàn)場受干擾因素多，場地條件很難滿足要求。
    3、網(wǎng)殼采用逐圈外擴(kuò)、逐步提升的方法就位，環(huán)梁在地面拼裝，整體提升就位，鑄鋼支座和人字柱安裝后，網(wǎng)殼與環(huán)梁實(shí)現(xiàn)空中對接。該方案工藝先進(jìn)，措施費(fèi)用低，但由于混凝土結(jié)構(gòu)在7米處有外挑板，外環(huán)梁整體提升無法實(shí)現(xiàn)。
    4、網(wǎng)殼采用逐圈外擴(kuò)、逐步提升的方法就位，安裝鑄鋼支座和人字柱后，環(huán)梁沿環(huán)向分24段在地面組拼后用大噸位汽車吊吊裝。該方案可直接利用人字柱作為支撐點(diǎn)，受力合理，但環(huán)梁的高空對接口多，組成環(huán)梁的鋼管剛度大，微調(diào)困難。
    5、網(wǎng)殼采用逐圈外擴(kuò)、逐步提升的方法就位，環(huán)梁在7米平臺處拼裝后整體提升，安裝鑄鋼支座和人字柱后，網(wǎng)殼與環(huán)梁在空中合攏。該方案工藝先進(jìn)，可以有效解決7米平臺對環(huán)梁提升的干擾，但環(huán)梁在懸吊狀態(tài)下安裝人字柱存在一定的安全隱患，環(huán)梁與網(wǎng)殼在高空姿態(tài)就位難度大。
    6、網(wǎng)殼采用逐圈外擴(kuò)、逐步提升的方法就位，鑄鋼支座和人字柱用汽車吊吊裝后搭設(shè)操作腳手架，環(huán)梁采用高空原位散拼法安裝后與網(wǎng)殼合攏。該方案措施費(fèi)用低，實(shí)施方便，安裝精度易于控制。
    通過以上六種方案對比分析，在經(jīng)過三次專家論證會，綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工難度等指標(biāo)后決定采用第六種方案施工。
    四、方案的實(shí)施
    1、鑄鋼支座安裝
    鑄鋼支座每套重量8.8噸，由四個部件組成，為球鉸可轉(zhuǎn)動體系，安裝在標(biāo)高為7米，沿徑向向外傾斜15°的預(yù)埋件上。安裝質(zhì)量和精度直接影響到整個屋蓋體系的安裝精度。安裝工藝要點(diǎn)如下：
    ①用全站儀在預(yù)埋件上放出鑄鋼支座中心控制點(diǎn)和控制軸線，根據(jù)控制軸線放出控制邊線并焊接定位板。
    ②將鑄鋼支座各部件在地面組成整體，用50噸汽車吊吊裝就位，通過定位板精確調(diào)整鑄鋼底座位置后與預(yù)埋件點(diǎn)焊定位。
    ③用千斤頂通過吊線的方法調(diào)整鑄件1的位置后用木方支墊。


    2、人字柱安裝
    人字柱由兩根長度為12米，規(guī)格為Φ1000×18的鋼管相貫連接而成，每組重量10.6噸。下端與鑄鋼支座插接后焊接連接，上端與Φ1200環(huán)梁相貫焊接。安裝時需要在傾斜狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)空中定位，安裝工藝要點(diǎn)如下：
    ①在地面定型胎具上組對人字柱，用套模檢查相貫口，焊接相貫焊縫。
    ②精確測定定位控制點(diǎn)并做好控制標(biāo)記。
    ③用50噸汽車吊吊裝人字柱，下部與鑄鋼支座插接連接，上部用鋼絲繩加倒鏈臨時固定。
    ④用經(jīng)緯儀校正地面投影點(diǎn)與人字柱控制標(biāo)記后鎖緊臨時拉索，焊接人字柱與鑄鋼支座對接焊縫。

    3、環(huán)梁安裝
    環(huán)梁系統(tǒng)由一圈Φ1200鋼管和三圈Φ500鋼管通過Φ245腹桿連接而成，覆蓋直徑達(dá)150米，橫截面寬度為11.1米，高度6.6米，體形巨大、總重量達(dá)764t，是本工程安裝的一大難點(diǎn)。施工中采用高空原位散拼、逐圈逐段控制的方法保證了巨型環(huán)梁的精確就位。安裝工藝要點(diǎn)如下：
    ①將每一圈環(huán)形鋼管通過加工和現(xiàn)場組拼分解為24個單元，單元長度從16.5米到19.5米，對接口位置避開節(jié)點(diǎn)區(qū)。
    ②利用安裝好的人字柱為支撐點(diǎn)，以每兩組人字柱之間設(shè)置的H型鋼為臨時支撐點(diǎn)，用兩臺50噸汽車吊逐段吊裝Φ1200鋼管，用水準(zhǔn)儀、全站儀逐段控制每段的安裝精度，直至Φ1200鋼管閉合。此時，人字柱與Φ1200鋼管已形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。
    ③在地面胎具上組焊中環(huán)Φ500鋼管與豎向腹桿，逐段吊裝，與Φ1200鋼管連接，用全站儀配合吊線法精確控制Φ500鋼管與Φ1200鋼管的同心度并用纜風(fēng)繩固定，焊接豎腹桿與Φ1200鋼管相貫口。
    ④安裝①②號腹桿并通過①②號腹桿逐段定位安裝內(nèi)環(huán)Φ500鋼管，用全站儀復(fù)核。
    ⑤在地面胎具上組拼③④號腹桿成四角錐后整體吊裝，通過③④號腹桿逐段定位安裝外環(huán)Φ500鋼管直至閉合。為節(jié)約措施費(fèi)用，外環(huán)安裝采用軌道滑移式操作平臺。



    4、網(wǎng)殼安裝
    A區(qū)網(wǎng)殼覆蓋直徑133.06米，正放四角錐焊接球節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格尺寸約4米，總重量570噸。施工中采用逐圈外擴(kuò)、逐步提升的方法。提升系統(tǒng)采用由絞磨牽引的獨(dú)腳拔桿系統(tǒng)。首先，在高度5.0米混凝土平臺上放出中心控制點(diǎn)和控制軸線，砌設(shè)支撐磚墩，由中心開始拼裝網(wǎng)殼，逐圈向外擴(kuò)散，當(dāng)周圍無法向外繼續(xù)拼裝時開始提升，每次提升高度滿足外擴(kuò)2-3圈的要求，依次循環(huán)。提升拔桿系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)三圈拔桿組成。其中，內(nèi)環(huán)共設(shè)置8根拔桿，采用Φ325×8鋼管，布置在直徑約40米的圓環(huán)上，提升網(wǎng)殼最大直徑范圍為72米，重量190噸；中環(huán)共設(shè)置14根拔桿，采用Φ450×10鋼管，布置在直徑約70米的圓環(huán)上，提升網(wǎng)殼最大直徑范圍為103米，重量400噸；外環(huán)共設(shè)置24根拔桿，采用Φ450×10和Φ480×8鋼管，布置在直徑約90米的圓環(huán)上，提升網(wǎng)殼最大直徑范圍為124米，重量560噸。隨著網(wǎng)殼的外擴(kuò)拼裝，三圈拔桿以接力的方式完成網(wǎng)殼的提升任務(wù)。內(nèi)環(huán)、中環(huán)拔桿分別在中環(huán)、外環(huán)拔桿完全受力后退出工作并拆除，整個網(wǎng)殼共分六次完成提升就位。工藝控制要點(diǎn)如下：
    ①在詳圖設(shè)計時預(yù)留桿件焊接收縮余量，桿件下料時嚴(yán)格控制下料尺寸。
    ②對網(wǎng)殼在提升過程中各種工況進(jìn)行了驗算，對部分薄弱桿件進(jìn)行了加強(qiáng)，桿件應(yīng)力比控制在0.7以下。
    ③對拔桿系統(tǒng)進(jìn)行了嚴(yán)格評估和驗算，加強(qiáng)了過程檢查。

    ④應(yīng)用應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)對網(wǎng)殼的部分桿件和拔桿系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測控制。
    ⑤每次提升后對網(wǎng)殼的標(biāo)高、平面位移、扭轉(zhuǎn)、整體尺寸進(jìn)行測量復(fù)核并及時糾偏調(diào)整。


    5、網(wǎng)殼與環(huán)梁的空中合攏
    網(wǎng)殼部分與環(huán)梁系統(tǒng)作為兩個獨(dú)立的區(qū)域各自獨(dú)立施工，環(huán)梁系統(tǒng)施工完畢后自身已形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，網(wǎng)殼提升到位后，在高空懸吊狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)與環(huán)梁系統(tǒng)的空中對接合攏，完成整個屋蓋結(jié)構(gòu)安裝?？罩泻蠑n是網(wǎng)殼安裝的最后一道工序，也是本工程又一大施工難點(diǎn)。工藝控制要點(diǎn)如下：
    ①以網(wǎng)殼最外一圈下弦球下皮標(biāo)高為控制基準(zhǔn)，通過絞磨微調(diào)到設(shè)計位置。
    ②以環(huán)梁系統(tǒng)為拉結(jié)點(diǎn)，以線墜為控制手段，用倒鏈微調(diào)網(wǎng)殼的平面位移和扭轉(zhuǎn)位移。
    ③以兩根相互垂直的軸線與環(huán)梁的四個交點(diǎn)為起始合攏點(diǎn)，通過散拼方法開始網(wǎng)殼與環(huán)梁的合攏，順序推進(jìn)，焊接工作順序跟進(jìn)，完成網(wǎng)殼的最終合攏。
    6、焊接質(zhì)量控制
    本工程為全焊接結(jié)構(gòu)，焊接工作量大，焊縫數(shù)量多，大部分焊口為坡口全熔透焊縫，鋼材材質(zhì)從Q345B到Q345C到德國標(biāo)準(zhǔn)GS16Mn5N，焊接位置幾乎全部為全位置焊接，大量的焊接工作在冬施條件下完成，工藝難度大。施工中，對以下環(huán)節(jié)進(jìn)行了控制：
    ①所有焊工進(jìn)場后全部進(jìn)行了有障礙全位置焊接考試，考核合格方可上崗。
    ②進(jìn)行了Q345B與Q345C及Q345C與GS16Mn5N鋼材的焊接工藝評定試驗，用于指導(dǎo)現(xiàn)場焊接。
    ③在哈爾濱進(jìn)行了－10℃條件下的低溫焊接工藝評定試驗，用于指導(dǎo)冬施條件下現(xiàn)場焊接。
    ④冬施前對所有焊工進(jìn)行了適應(yīng)性培訓(xùn)和考核。
    ⑤加大了焊縫檢測比例，對所有一級及二級全熔透焊縫全部進(jìn)行了100％超聲波探傷。
    五、總結(jié)
    奧運(yùn)會老山自行車館鋼結(jié)構(gòu)安裝從2005年8月開始準(zhǔn)備，歷經(jīng)多次方案研討，最終于2005年10月20日施工方案通過專家論證，06年1月20日完成屋頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)合攏，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)封頂，成為第一個鋼結(jié)構(gòu)封頂?shù)膴W運(yùn)項目。該工程安裝精度高，質(zhì)量控制到位，在長城杯專家組、鋼結(jié)構(gòu)金獎專家組及建委領(lǐng)導(dǎo)的多次檢查評比中獲得了較高評價。就本工程的成功實(shí)施，總結(jié)如下：
    1、針對本工程結(jié)構(gòu)形式獨(dú)特施工難點(diǎn)多、造價低等特點(diǎn)，施工前對各種有可能實(shí)現(xiàn)的方案進(jìn)行了詳細(xì)對比分析，投入了較多的時間和精力，保證了方案的科學(xué)性、先進(jìn)性和可行性，保證了后續(xù)施工的順利進(jìn)行。
    2、先安裝鑄鋼支座和人字柱，以人字柱作為環(huán)梁安裝的支撐點(diǎn)，逐圈逐段安裝控制環(huán)梁的方案保證了環(huán)梁的安裝精度，增加了施工安全性，同時省去了大量的承重腳手架的搭設(shè)（節(jié)約腳手管約30萬延米）降低了施工成本。
    3、網(wǎng)殼施工采用逐圈外擴(kuò)、逐步提升的方案充分利用了網(wǎng)殼本身的外形特點(diǎn)，減少了高空作業(yè)，降低了措施費(fèi)和人工費(fèi)。
    4、以人力推絞磨為動力，以拔桿群相互拉結(jié)為承重機(jī)構(gòu)，以滑輪組為牽引裝置的整體提升系統(tǒng)在本工程中的成功應(yīng)用，為大跨度結(jié)構(gòu)整體提升技術(shù)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用提供了新的思路，對今后類似工程施工具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。
    5、施工前對各種工況的結(jié)構(gòu)驗算以及施工中應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用為最優(yōu)方案的選擇和方案的成功、安全實(shí)施提供了理論依據(jù)和科學(xué)保證
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