国家体育场钢结构_鸟巢_的安装与合拢控制.docx

建 筑 施 工bu i ldi ng constr u cti onvo1.29 no.5 特稿国家体育场钢结构“鸟巢”的安装与合拢控制in s t a lla t io n a n d fin a l j u n ct io n co n t ro l o ve r s t e e ls t ru ct u re o f na t io n a l s t a d iu m - bird s ne s t 邱德隆 1李久林 1黄卫东 2万里程 1郝彤途 3乔锋 4（1.北京城建集团国家体育场工程总承包部100101；2.北京市建设工程质量监督总站100073；3.国家体育场有限责任公司 北京 100101；4.中咨工程建设监理公司 北京 10044）【摘 要】钢结构的合拢施工是整个钢结构安装过程中的一道重要工序，尤其是特大型异形钢结构。针对国家体育场钢结构的特点，从合拢的概念到具体要求，介绍了“鸟巢”结构合拢断面的选择、合拢温度的监测、合拢口的做法以及合拢的具体实 施等施工技术措施。其中钢结构本体温度监测、合拢口的做法是合拢施工的核心环节，温度监测结果是决定合拢是否实施的依 据。实践表明，国家体育场钢结构的合拢实施满足设计和相关规范的要求。【关键词】国家体育场 钢结构【中图分类号】tu758.11安装 合拢控制 施工技术/ 文献标识码b【文章编号】1004- 1001（2007）05- 0309- 041 钢结构合拢2合拢温度北京国家体育场“鸟巢”钢结构屋盖跨度大，双榀主桁架贯通最大跨度约 260 m（图 1）。由于结构安装需经历较长的 时间跨度，结构形成和使用过程会存在较大的温差，将导致 结构中产生较大的温度变形和温度应力。经验表明，温度变 形和温度应力的大小和结构形成时与使用时的温差直接相 关。为减少结构由于安装时结构温度产生的应力，我们在安 装主桁架的过程中，采用了分块散装法，即先将各分段主桁 架在高空依次拼接成四个对称、均匀布置的独立板块，在整 体钢结构满足温度条件下，再将各独立板块连成一个整体， 这一分块连成整体的过程就叫做合拢。合拢时的钢构件平均温度即为合拢温度，它有别于合拢时的大气温度，它是结构设计和使用过程中温度核算的基准 点。2.1 合拢温度选择原则 对于大跨度结构，结构安装完成后，环境温度变化将在结构中引起内力变化，通常将主体结构合拢时的温度作为结 构的初始温度（也称为安装校准温度）。因此设计确定合拢温 度的原则：一要结构的初始温度接近年平均气温，二要考虑 施工进度计划及其变化，预留一定的允许温度偏差范围；三 是结构合拢温度应尽量设定在结构可能达到的最高温度与 最低温度的中间区域，使结构受力比较合理，用钢量较小。2.2合拢温度要求 北京地区的气候类型属典型的温带大陆性气候，季节气温变化很大。由于 鸟巢 钢结构直接暴露于室外，冬季时钢 构件的温度与室外气温基本相同，但夏季太阳照射强度最 大，屋架上、下弦膜材之间的空气流动性较差，屋架内部温度 明显高于室外气温，形成 温箱 效应；以及结构在迎光面与 背光面的温差，导致结构存在较大的温度场分布。温度变化 将在结构中引起很大的内力和变形，对结构的安全性与用钢 量将产生显著的影响。根据北京气象局提供的统计数据资料，国家体育场所处 区域观测点北京市气象局朝阳站测得最近 47 年的极限最高 温度为 41.6，极限最低温度为21.2。设计对钢结构合图 1 国家体育场“鸟巢”外观【作者简介】邱德隆（1969- ），男，博士，高级工程师。联系地址：北京市朝阳区北辰东路花园别墅 17 号（100101），电话：（010）64993651。【收稿日期】2007- 04- 252007 年 5 月出版309第 5 期5/2007邱德隆、李久林、黄卫东、万里程、郝彤途、乔 锋：国家体育场钢结构 - 鸟巢 的安装与合拢控制拢温度与相应要求如下：（1）钢结构合拢温度 194，相当于 1523；（2） 次结构合拢温度 198194，相当于1123；（3）设计合拢温度为钢结构的平均温度，在合拢时钢结 构应尽量做到温度均匀，在立面次结构后合拢情况下，顶面 主结构温度允许偏差为2。扑结构如图 3 所示。测试中首先将采集到的数据经过 a/d 转换，变成数字信号后直接传送给信号发射仪，然后通过无线 传输发射给信号接收仪，并由与之相连的计算机接收。采用 vc 可视化编程语言编制温度采集程序，实现了自动和手动 两种温度采集模式，以满足任意时间间隔采集频次的数据测 量和各点实时温度监测的需要，测试结果自动保存在程序的 配置文件中。3 合拢线的选择在确定合拢线时，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。在满足合拢要求的条件下，尽量减少合拢点的数 量，特别是合拢口的数量，以方便施工，减少人员、设备的投 入。根据本工程的实际情况，经与设计方共同协商，主桁架、 立面结构及顶面次结构的合拢线确定如下:（1）主桁架沿屋盖环向设置 4 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；（2）立面次结构沿主体钢结构合拢断面相应的柱间位 置设置 4 条合拢线；（3）安装时，合拢口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，合拢口布置见图 2。图 3 合拢温度测试系统的拓扑结构在合拢过程中温度监测数据通过无线上网进行实时传输，测试数据可以及时传输到合拢实施指挥决策中心，为合 拢工作具体实施提供依据。本测试系统最大的特点是避免了现场布线。采集到的数 字信号通过无线发射和接收直接传输给计算机进行处理，避 免了采用电缆线传输时信号的衰减。测试现场不用外接电源 线，由仪器直接携带电池。现场没有冗长而烦琐的各种信号 线和电源线，最大限度地降低了对现场施工的影响。现场温 度测点如图 4 所示。图 4 现场温度测点4.2 温度监测点的布置按照设计要求，合拢时钢结构本体温度是结构的整体温 度，为确切掌握整个屋盖钢结构的温度场分布情况，以及不 同部位钢结构实际温度同气温的对应关系，测试点的布设尽 量分布于整个屋盖区域。温度测试共布设 60 个测点，其中：顶面桁架 36 个测点， 立面结构 24 个测点。测点具体设置为：上下弦杆的上表面、 立面结构的侧表面、内柱的外侧面。见测点布置图 5。通过对钢结构本体温度实际测试情况的分析，表明在后图 2 主桁架合拢断面示意图4 合拢温度监测4.1 温度监测的方法温度采用电子监测系统，该温度测试系统由三个子系统 组成，即：传感器子系统、数据采集与传输子系统、数据管理 与分析子系统。监测系统包括硬件和软件两大部分，温度测试硬件的拓310建筑施工第 29 卷5/2007第 5 期邱德隆、李久林、黄卫东、万里程、郝彤途、乔 锋：国家体育场钢结构 - 鸟巢 的安装与合拢控制半夜时段不受白天日照影响等干扰的情况下，上述 60 个测点的温度分布规律、离散幅度很小，因此可以认为所布设的60 个测点能够代表钢结构整体温度情况。图 7 第二次合拢温度曲线图图 5 温度测点布置图4.3 合拢温度监测结果按照合拢顺序安排，合拢焊接分三次进行，分别在 2006 年 8 月 25 日夜间26 日凌晨、8 月 28 日夜间8 月 29 日 凌晨和 8 月 30 夜间31 日凌晨进行。三次温度测试曲线见 图 6 图 9。（1）第一次合拢施工时，各点平均值在 2006 年 8 月 25 日夜间 22:00 降到 22.8，之后每半个小时平均温度下降0.4左右，基本上保持平稳。各点间的温度差变化也较平 稳，小于平均温度2范围内，满足设计对合拢温度的要 求。实际合拢焊接从 26 日 0 时开始。（2） 第二次合拢施工时，各点平均值在凌晨 2:15 达到22.9，之后温度平稳下降，每半小时下降不到 0.1。各点 温度差变化小于平均温度2的范围内，满足要求。（3）第三次合拢施工时，各点平均值在凌晨 1: 30 达到23，之后每半个小时下降 0.10.2，各点温度差变化 小于平均温度2的范围内。符合要求。图 8 第三次合拢顶面温度曲线图图 9 第三次合拢立面温度曲线图为防止合拢时因温度变化而产生过大的温度变形和温度应力，选择气温相对稳定的情况下进行合拢，即合拢安排 在夜间进行。由于合拢口数量多、焊接量大，合拢口构件对接 焊缝焊接持续时间长 （最大断面 1000 mm 1000 mm 42 mm，连续焊接时间约 800 min），为了避免合拢口对接焊缝焊 接过程中因温度变化而而出现受拉破坏现象，本工程采用的 合拢方式为：先将合拢口的卡马焊接固定，然后再进行合拢 口对接主焊缝的焊接，对接主焊接完毕后割除卡马。卡马的 大小和数量需根据该接口部位的受力计算确定。此受力计算 不但要考虑合拢段安装过程中搭接受力要求，而且要考虑合 拢过程中合拢口的受力要求，包括构件本体的受力。5.1.2 合拢段安装原则 根据设计要求以及选定的合拢线，本工程的合拢口数量众多，合拢段安装的时间跨度相对较大，因此，各合拢段安装 时的温度差别较大，受温度变化的影响也较大。为确保合拢 段的顺利安装和施工过程中的安全，同时确保合拢口合拢时 的最终间隙大小，在进行合拢段的安装时必须遵循的原则： 尽量选择在与合拢时相近的温度条件下或低于该温度的条图 6 第一次合拢温度曲线图5 合拢技术措施5.1 合拢工艺5.1.1 合拢方式2007 年 5 月出版311第 5 期5/2007邱德隆、李久林、黄卫东、万里程、郝彤途、乔 锋：国家体育场钢结构 - 鸟巢 的安装与合拢控制件下进行安装，以方便构件的进裆，控制合拢时的坡口间隙；尽量采用小间隙安装法，避免合拢时合拢口间隙过大。5.1.3 合拢段安装（1）合拢段安装时，要尽量控制合拢段安装时合拢口的 间隙大小，该间隙大小要考虑温度变形计算结果和焊接收缩 变形，同时，对合拢口的错边量也要加以严格控制。（2）为确保合拢段施工过程中的安全，合拢段安装就位 后，除合拢口处结构对接主焊缝不进行焊接连接外，其它接 口部位均及时焊接完毕，以增强结构的整体稳定性。（3）根据安装和合拢过程中卡马的最不利受力情况的 计算，卡马设置如图 10 所示。合拢口上、下翼缘各设置三块 卡马，为增加卡马侧向稳定性，两侧板各设置两块卡马，上翼 缘两边卡马增设规格为 10010010 mm 的三角形劲板，除 下翼缘的卡马焊接固定在已装主桁架牛腿上外，其它卡马均 焊接固定在合拢段端口上；卡板规格：厚度20 mm，高度250 mm，长度500 mm，材质为 q235b；焊缝要求：焊角尺 寸14 mm，双面角焊缝。根据北京市专业气象台 3 7 d 的天气预报, 提前做好气温的预测和跟踪。最终合拢时间选择了 8 月 26 日、8 月 29 日、8 月 31 日的凌晨。合拢期间，每个合拢施工日的晚上 19:00 开始进行钢结构本体温度的测试，一旦达到要求，立即开 始合拢焊接，温度测试一直持续到上午 7 时。开始合拢卡马 焊接的具体时间根据温度测试的具体结果满足设计要求而 定。5.3 合拢焊接5.3.1 合拢焊接原则合拢卡马的焊接设备和人员配置安排在 2 h 内完成，整 个合拢卡马焊接过程中，钢结构本体温度应该满足设计合拢 温度要求。卡马焊接完毕后，随即进行合拢口结构对接焊缝 的焊接，焊接过程中钢结构的本体温度尽可能处于设计要求 的合拢温度范围内。5.3.2 合拢焊接过程第一次合拢开始时间为 8 月 26 日的凌晨的 2:30，所有 卡马在 2 h 内焊接完毕，随即进行结构对接口焊接，共计 48 个对接焊口；第二次合拢开始时间为 8 月 29 日的凌晨的130，所有卡马在 2 h 内焊接完毕，随即进行结构对接口焊 接，共计 48 个对接焊合；第三次合拢开始时间为 8 月 31 日 的凌晨的 1:30，所有卡马在 1 h 内焊接完毕，随即进行结构 对接口焊接，共计 28 个对接焊口。5.3.3 卡马割除 为防止合拢焊接过程中，对接焊缝因温度变化而出现受拉破坏现象，本工程合拢时，所有合拢口均采用卡马先行固 定，然后再进行对接主焊缝的焊接，结构对接焊口焊接完毕 后方可割除卡马。卡马割除时的温度选择夜间接近设计要求 的合拢温度，以避免卡马割除时，结构和卡马内部存在过大 的温度应力。卡马割除顺序：先统一割一端，然后再割另一 端；先割除上下翼缘板的卡马，再割除腹板上的卡马。卡马割 除时，根部需预留 2 mm 左右，以防损伤母材，切割完毕后， 表面采用砂轮机打磨平整，然后再补涂油漆。图 10 合拢口卡马设置（4）合拢段安装就位后，非合拢口对接主焊缝及时进行焊接，待焊接完成 2/3 以上后方可松钩，松钩时注意观测合 拢口的变化情况。（5）在整个安装过程中，要定期进行合拢口的跟踪检查 工作，一是检查卡马的连接焊缝和变形情况，确保卡马的安 全；二是检查合拢口的间隙情况。5.2 合拢的顺序及时间5.2.1 合拢顺序 因合拢口数量众多，如一次合拢，则需投入大量的人力和物力，且施工组织管理也相当困难，根据工程的实际情况， 本工程的合拢按合拢线依次进行合拢,每次最多配置 132 名 焊工。具体原则如下：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，同一合拢线的 各合拢口同时、同步合拢。当进行立面结构的合拢时，主桁架