楊嗣信:奧運工程施工新技術(shù)

北京市政府專業(yè)顧問、08奧運工程專家組組長楊嗣信教授

  目    錄

  第一部分       奧運工程概況
  第二部分      主要奧運工程新技術(shù)介紹
  一、  國家體育場(鳥巢工程)
  二、  國家游泳中心(水立方工程)
  三、  國家體育館
  四、  老山自行車館
  五、  北京科技大學(xué)體育館
  六、  五棵松體育館
  第三部分     奧運工程其它新技術(shù)
  第四部分      結(jié)束語

第一部分       奧運工程概況

  此次奧運會,我國計劃使用37個比賽場館,奧運建設(shè)項目分布在北京及沈陽、秦皇島、天津、青島、上海 6 個城市。其中27個項目的比賽安排在北京的31個場館,其中新建場館12個,改擴建場館11個,臨時場館8個,總建筑面積約108萬平米。

  北京奧運場館主要集中在城市的北部和西部,分為四個區(qū)域,一個中心區(qū),就是奧林匹克公園中心區(qū),另外三個是西部社區(qū)、大學(xué)區(qū)和北部風(fēng)景旅游區(qū)。

  其中:

  比賽場館及相關(guān)設(shè)施共36項(見附件1);

  訓(xùn)練場館共24項(見附件2 );

  奧林匹克公園及市政基礎(chǔ)設(shè)施共4項(見附件3)。

  附件1

  國家體育場、國家游泳中心、國家體育館 、五棵松體育館 、北京射擊館 、老山自行車館 、順義水上中心、北京大學(xué)體育館、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)體育館、北京工業(yè)大學(xué)體育館 、北京科技大學(xué)體育館、奧林匹克公園網(wǎng)球中心 、國家會議中心 、豐臺壘球場 、北京航空航天大學(xué)體育館 、北京理工大學(xué)體育館 、奧體中心體育場 、奧體中心體育館 、英東游泳館 、老山山地自行車場、首都體育館 、北京射擊場飛碟靶場 、北京工人體育場 、北京工人體育館 、奧林匹克公園曲棍球場 、奧林匹克公園射箭場 、朝陽公園沙灘排球場 、五棵松棒球場 、老山小輪車賽場 、鐵人三項賽場 、城市公路自行車賽場 、奧運村 、奧運村北部區(qū) 、數(shù)字北京大廈 、媒體村一期 、媒體村二期

  附件2

  北京體育大學(xué)訓(xùn)練館A和B、游泳館、田徑館、綜合館、田徑場A(長投)、大鵬館 、自劍中心馬術(shù)訓(xùn)練場 、奧體中心體育場練習(xí)場、體育館附館1號、2號、3號場地 、奧體中心曲棍球練習(xí)場 、清華大學(xué)體育館、游泳跳水館 、中國人民大學(xué)游泳館、世紀(jì)館 、北京語言大學(xué)體育館 、北京交通大學(xué)體育館 、北京師范大學(xué)附屬實驗中學(xué)體育館 、二十一世紀(jì)游泳館 、首鋼籃球中學(xué) 、北京聯(lián)合大學(xué)、首都體育學(xué)院游泳館、田徑館、大學(xué)生體育館、田徑場首都師范大學(xué)體育館木樨園綜合訓(xùn)練館、游泳館、光彩體育館工人體育場練習(xí)場海淀體育場、體育館、海淀體育中心綜合館北京八中體育館、游泳館月壇體育館、綜合訓(xùn)練館、地壇體育館宣武廣安體育館石景山體育館朝陽體育館、朝陽體育中心田徑場昌平田徑場、游泳池

  附件3

  奧林匹克公園中心區(qū)、奧林匹克森林公園 、場館周邊市政道路、專項工作

第二部分   主要奧運工程新技術(shù)介紹

  一、國家體育場(鳥巢工程):

  工程概況:

  建設(shè)地點:奧林匹克中心區(qū)

  賽時功能:田徑、足球

  外部形狀:橢圓形馬鞍狀

  建筑面積:25.8萬m2

  長:330m;寬:280m;高:40.7~69.2m

  座席數(shù):110000個

  頂部開口:182m×124m

  設(shè)計特點:

  (一)主體鋼結(jié)構(gòu):

  國家體育場屋蓋結(jié)構(gòu)的平面投影為橢圓形,頂面為比較平坦的馬鞍曲面。屋面開口近似橢圓形,由兩條橢圓線段和兩條圓弧線段合成。

  看臺為RC結(jié)構(gòu),外部圍護結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)。 RC結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)完全脫開。鋼結(jié)構(gòu)由24根組合鋼柱及24榀屋頂桁架組成,形成網(wǎng)絡(luò)狀(斜交)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),酷似中國瓷器裂紋和“鳥巢”形狀,而得名“鳥巢”。

  結(jié)構(gòu)主桁架上弦桿與屋面次結(jié)構(gòu)的桿件截面尺寸均為1000×1000mm;下弦桿的主要截面尺寸為800×800mm,在靠近組合柱位置局部為1200×1000mm;組合柱與立面次結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸均為1200×1200mm。

  鋼結(jié)構(gòu)總重約4萬噸,其中桁架1.4萬噸,組合柱約1.3萬噸,次結(jié)構(gòu)1.2萬噸,樓梯馬道等0.5萬噸。鋼板厚度﹥34mm時采用Q345;當(dāng)﹥36mm時采用Q345GJ;少量采用Q460、Q460ML鋼材。

  主桁架、次結(jié)構(gòu)及組合柱均采用焊接箱形截面,桿件之間主要采用焊接連接。

 ?。ǘ┙M合鋼柱:

  主體結(jié)構(gòu)周邊共24根鋼格構(gòu)柱支撐,每根鋼格構(gòu)柱由2根1200×1200mm2箱形鋼柱和1根菱形鋼柱組成(頂、底部厚鋼板90-100mm;其它厚50-80mm)。

結(jié)  構(gòu)  柱

 ?。ㄈ╀摻Y(jié)構(gòu)節(jié)點

  主結(jié)構(gòu)均為大截面箱型構(gòu)件,節(jié)點在空間匯交多根桿件;次結(jié)構(gòu)節(jié)點復(fù)雜多變、規(guī)律性少。

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點示意圖

  (四) 屋面膜結(jié)構(gòu):

  國家體育場的屋面由鋼結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)共同組成。膜結(jié)構(gòu)可分為屋面圍護結(jié)構(gòu)、聲學(xué)吊頂。屋面上層維護結(jié)構(gòu)采用單層ETFE膜材,下層聲學(xué)吊頂采用單層PTFE膜材,屋蓋開口的內(nèi)環(huán)桁架里面采用防水的PTFE膜。

  ETFE膜厚度為250微米,無色透明,透光率≧87%??估瓘姸权R50N/mm2,彈性模量≧965N/mm2。

  PTFE下弦聲學(xué)吊頂膜材料的吸聲率≧70%,透光率≧30%。

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  樓板用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土,大挑梁用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土,用7φs5(φs15)鋼絞線,A=139mm2,等級1860N/mm2;

體育館內(nèi)部看臺

  鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù):

 ?。ㄒ唬┦┕るy點

  鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)施工交叉作業(yè),施工難度大。

  由于桿件組拼的桁架均為曲面,且設(shè)計要求曲線變化平滑自然,對焊工水平、焊接設(shè)備、組拼胎架要求高。

  鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場組拼、安裝精度要求高,精度控制難度大。

  針對鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變的曲線、曲面造型,計算機模擬制作、安裝工況難度大。

  桿件空間交匯角度小,局部超厚鋼板焊接、高強鋼Q460鋼焊接、鑄鋼件焊接等納入專門的研究課題,采取有效的預(yù)控措施,現(xiàn)場焊接難度大,焊材總消耗量約兩百噸。

  部分鋼構(gòu)件組拼而成的剛架為不規(guī)則曲面,對此巨型鋼結(jié)構(gòu)組拼和安裝實施三維測量控制,組拼、安裝的難度大。

  大跨度巨型鋼結(jié)構(gòu)屋蓋,支撐數(shù)量多,分布面積大,卸載實施控制難度大。

  鋼結(jié)構(gòu)防腐處理難度高。

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  (二)安裝單元劃分

  主結(jié)構(gòu)共劃分為258安裝單元,其中:平面桁架163個單元,24個空間桁架單元,72個鋼柱安裝單元。安裝單元空間桁架最大重量為163t,平面桁架94t,最大長度為42m。

 ?。ㄈ┌惭b分區(qū)劃分

  根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)總體安裝方案確定的分階段對稱安裝原則,將鋼結(jié)構(gòu)安裝劃分Ⅰ、Ⅱ兩個分區(qū),Ⅰ區(qū)范圍為P21鋼柱~P8鋼柱區(qū)域, Ⅱ區(qū)范圍為P9鋼柱~P20鋼柱區(qū)域。

 ?。ㄋ模┲鹘Y(jié)構(gòu)安裝順序

  主結(jié)構(gòu)的安裝順序遵循對稱同步、盡早形成安裝區(qū)域局部穩(wěn)定的原則??傮w上分為三個階段八個區(qū)域,第一階段安裝1、2區(qū)域;第二階段安裝3、4區(qū)域,第三階段安裝5、6、7、8區(qū)域。

 ?。ㄎ澹┐谓Y(jié)構(gòu)安裝順序

  在支撐塔架卸載前隨每個階段鋼組合柱的安裝進行立面次結(jié)構(gòu)的安裝。

  在支撐塔架卸載之后安裝頂面次結(jié)構(gòu)。

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  支撐塔架塔身:四肢取外徑為351的無縫鋼管,接地下部四節(jié)間為Φ351×16,上部其他桿件為Φ351×12;水平面內(nèi)腹桿取Φ219×8,斜向面內(nèi)腹桿取Φ180×6,四肢對角線豎面內(nèi)腹桿取Φ140×4。

  塔架連系桁架:弦桿取Φ219×8,腹桿取Φ140×6。

支 撐 塔 架 示 意 圖

 ?。ㄆ撸┬?載

  在鳥巢的建設(shè)過程中,主體鋼結(jié)構(gòu)的重量主要由78根臨時搭建的鋼柱支撐,卸載就是將這78根支柱產(chǎn)生的78個受力區(qū)域,在整體、分級、同步的前提下緩慢而又平穩(wěn)地拆除,讓鳥巢由被外力支撐的狀態(tài),變成完全由自身支撐。

  78個受力點根據(jù)需要分布在鳥巢的外圈、中圈和內(nèi)圈上,外圈24個,中圈24個,內(nèi)圈30個。卸載過程分為7個大步驟,每個大步驟又包括5個小步驟,按位置順序依次是:外圈、中圈、內(nèi)圈、中圈、內(nèi)圈。

  每小步的卸載分三個環(huán)節(jié):

  第一環(huán)節(jié),升起千斤頂,使它與墊塊共同支撐;

  第二環(huán)節(jié),撤去鋼柱頂端的第一層墊塊,此時這個區(qū)域的受力完全由千斤頂支撐;

  第三環(huán)節(jié),千斤頂緩慢下降,一直降到第二層墊塊的高度,此時該點的受力再次由鋼柱與千斤頂共同承擔(dān).

  二、國家游泳中心(水立方工程):

  工程概況:

  建設(shè)地點:奧林匹克中心區(qū)

  賽時功能:游泳、跳水、水球等比賽

  建筑面積:8.7萬m2

  高:31m(地下兩層,地上五層)

  正方形面積:177×177m

  座席數(shù):91000個

  設(shè)計特點:

  國家游泳館又名“水立方”,由于其墻面、屋面、內(nèi)外、上下均采用了充氣膜結(jié)構(gòu),因此猶如滴水的效果,由此命名“水立方”。

  屋面及墻體結(jié)構(gòu)均為鋼管球型焊接網(wǎng)架結(jié)構(gòu),屋頂7.7m厚,墻體約3m厚,用不同規(guī)格鋼管通過鋼球節(jié)點焊成大小不同的6--7角形的蜂窩形平面,看上去頗不規(guī)則,實際上有規(guī)律的。

  膜結(jié)構(gòu):

  “水立方”是世界上最大的膜結(jié)構(gòu)工程,除了地面之外,外表都采用了新型鋼膜結(jié)構(gòu)體系,由一系列類似于細胞、水晶體的延性多面體空間鋼框架結(jié)構(gòu)單元和ETFE材料(乙烯-四氟乙烯共聚物)充氣薄膜共同組成。目前世界上只有三家企業(yè)能夠完成這種膜結(jié)構(gòu)。

  膜結(jié)構(gòu)非常輕巧,具有較強的隔熱功能和良好的自潔性 ,其去濕防霧功能對游泳運動尤為重要;另外,修補這種結(jié)構(gòu)也非常方便。

膜結(jié)構(gòu)的充氣裝置

  ETFE膜材料是一種柔性材料,延展性好,自重輕,屈服強度可達50N/ mm2,而密度僅為1.75g/cm3。本工程ETFE氣枕均由3層或4層ETFE膜構(gòu)成,每層膜的厚度在100至250微米之間。

  國家游泳中心工程ETFE屋面及立面裝配系統(tǒng)為我國第一個采用ETFE膜材料作為立面維護體系的建筑,它的應(yīng)用填補了國內(nèi)空白。

  施工技術(shù)

  屋面鋼結(jié)構(gòu)采用“高空散裝”工藝,支搭滿堂紅腳手架,用鋼管扣件腳手架及安德固腳手架??奂_手架1200×1200×1200 mm,卸載點為400×400×600 mm(步距)頂部用“U形托”托住100×100mm木方@400中-中上鋪雙層木方,木方上再鋪鋼板。

 ?。ㄒ唬┕?jié)點支撐布置

  卸載點布置及荷載值詳圖

  荷載為4t以下時節(jié)點位置支撐架詳圖

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 ?。ǘw腳手架布設(shè)

  外側(cè)墻雙排單立桿,外墻內(nèi)側(cè)及內(nèi)墻兩側(cè)采用3排單立桿腳手架,縱距1200mm,排距1200mm,大橫桿步距1200mm,小橫桿間距≤1000mm;腳手架高度約35m,設(shè)連墻桿(3600×1200 mm),下方另設(shè)大眼安全網(wǎng)。

  (三)安德固( ADG )系列模塊式腳手架簡介

  ADG 系列腳手架采用居世界領(lǐng)先地位的法國ENTREPOSE ECHAFAUDAGES技術(shù),由CRAB 模塊和模板支撐構(gòu)成。CRAB模塊由水平桿、立桿和對角拉桿分別在橫向、縱向和豎向構(gòu)成一個三維結(jié)構(gòu)單元,再由該結(jié)構(gòu)單元重復(fù)組合,形成三維空間架體。腳手架架設(shè)高度最高達100米,最大承載力6噸/桿,架體最大縱距為3米、步距為2米,最大支撐單元體承載力達40噸。

  安德固腳手架優(yōu)點:

  兼容性好、拆裝便捷;

  可以構(gòu)成超大尺寸,超高、懸挑等特殊結(jié)構(gòu);

  采用低碳合金結(jié)構(gòu)鋼,剛性和韌性好;

  自鎖連接功能,搭接安全性強;

  采用熱鍍鋅工藝,使用壽命長;

  自重輕,約是扣件式鋼管腳手架整架重量的2/3 ;

  整架結(jié)構(gòu)按照“鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范”設(shè)計和安裝,科學(xué)、可靠、安全;

滿  堂  紅  腳  手  架

安德固( ADG )系列模塊式腳手架

安德固腳手架接頭

 ?。ㄋ模╊A(yù)應(yīng)力梁(后張法)

  三 、國家體育館

  工程概況

  建設(shè)地點:奧林匹克中心區(qū)

  賽時功能:競技體操、蹦床、手球等

  外部形狀:單向波浪形

  建筑面積:8.1萬m2

  比賽館:114×144.5m;熱身館:51×63m

  屋蓋高度:38~43m--34~28m

  座席數(shù):18000個

  設(shè)計、施工和材料選用完全由國內(nèi)技術(shù)人員完成

  設(shè)計特點

 ?。ㄒ唬┫虏拷Y(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)與型鋼混凝土框架鋼支撐相結(jié)合的混合型結(jié)構(gòu)體系。

 ?。ǘ┪萆w采用造型新穎、結(jié)構(gòu)先進的大跨度空間結(jié)構(gòu)體系--雙向張弦空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系。

  鋼屋架上弦為正交正放的平面桁架(球節(jié)點);下弦為預(yù)應(yīng)力張拉索,穿過鋼支撐(垂直撐桿)下端的雙向索夾節(jié)點,形成雙向空間張索網(wǎng),長向有18榀桁架,其中每邊有2榀為非預(yù)應(yīng)力桁架;短向有14榀桁架,其中每邊有2榀為非預(yù)應(yīng)力桁架 。

屋蓋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

 ?。ㄈ╀撐菁艿纳舷遥ㄉ蠈樱┘纯臻g桁架的上弦面內(nèi)桿件均為圓管(無縫鋼管)ф159×6-ф480×24,下弦面內(nèi)所有桿件為軋制或焊接矩形管350×200×8×8-450×275×25×20;上弦焊接球節(jié)點,下弦采用相貫節(jié)點,撐桿為219×12圓管,最長達9.25m,鋼索采用擠包雙護層大節(jié)距扭絞型纜索,索端為鑄鋼節(jié)點。

桁架鑄鋼節(jié)點

預(yù)應(yīng)力鋼索交會點

  施工技術(shù)

  鋼屋蓋施工的總體思路為:地面分段組裝、高空整榀拼裝、同步積累滑移、分步對稱張拉。本項目建成后將成為國內(nèi)外同類結(jié)構(gòu)中跨度最大的雙向張弦結(jié)構(gòu),施工技術(shù)新穎,施工難度大。

 ?。ㄒ唬┑孛嫫囱b:

  地面拼裝桁架總長145m,高10 m。對拼裝場地、拼裝尺寸及焊接變形控制等要求高。

地  面  拼  裝  圖

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 ?。ǘ╀撐萆w液壓帶索同步積累滑移施工工藝

  高空積累滑移同步控制施工技術(shù),能精確地控制滑移過程中的位移和變形,同時解決了土建和鋼屋架的交叉作業(yè)施工。但如何解決安裝、就位,帶索滑移和滑移過程中索對鋼屋架的受力影響是本工程的一個難點。

  1、數(shù)控滑移及技術(shù)措施

  滑移概述:

  在東側(cè)的主體結(jié)構(gòu)端搭設(shè)南北向的胎架,使用吊車將分段桁架在高空平臺上組裝成單榀整體;在7軸(北邊)及24軸(南邊)處設(shè)置滑移通道,在16軸(中間)處沿東西方向搭設(shè)臨時平臺,在臨時平臺上設(shè)置兩滑道。兩榀桁架及連接構(gòu)件在胎架上組裝成整體后,利用四條滑道、采用計算機控制的液壓同步推進設(shè)備,往西側(cè)方向滑移8.5米;再進行第三榀主桁架組裝,如此循環(huán),直至13榀主桁架及其連接桿件全部滑移安裝到位。最后,第14榀桁架在胎架上組裝。

  共設(shè)四個滑道,滑移過程三個支撐點支撐滑移桁架。

滑 移 順 序 圖

  滑移要點

  桁架與滑軌接觸部分均采用鋼板接觸滑動磨擦方式 。支座處兩滑道采用2[16b及50kg/m重型鋼軌。

  跨中兩滑道采用H500×300×10×16及50kg/m重型鋼軌。

  東側(cè)拼裝平臺可滿足兩榀拼裝,除第一次滑移外,每次只拼裝一榀桁架,拼裝平臺上增設(shè)四條短滑軌,滑移過程總有一榀桁架是五點留在胎架,等待與拼裝桁架連接。

  滑移一次只滑移一個柱距8.5 m,分兩階段,先滑1.2m將桁架下弦騰空,在二層平臺上安裝撐桿和索,再滑移7.3m,拼裝下榀桁架。

  滑移采用直接就位,軌道通長布置,在滑移到最終就位距離柱頭位置100mm后,停止滑移,將滑動支座處軌道割除,安裝好滑動支座,桁架直接滑移到滑動支座上固定。

  本工程采用液壓爬行器作為推進驅(qū)動設(shè)備。液壓爬行器為組合式結(jié)構(gòu),一端以楔型夾塊與滑移重型軌道連接,另一端以鉸接點形式與滑移胎架或構(gòu)件連接,中間利用液壓油罐驅(qū)動爬行。系統(tǒng)安裝完成后,需要進行系統(tǒng)調(diào)試,并按照20%壓力遞增分級加載,確認安全后開始滑移。

  液壓爬行器

  滑移流程:

  第一步:滑移軌道預(yù)埋件設(shè)置;

  第二步:滑移軌道布置、鋪設(shè);

  第三步:液壓同步滑移系統(tǒng)設(shè)備安裝、調(diào)試;

  第四步:桁架逐榀累積滑移;

  第五步:桁架支座就位,滑移設(shè)施(軌道、液壓爬行器等)拆除。

  2、預(yù)應(yīng)力施加技術(shù)

  預(yù)應(yīng)力施加分三級,第一級施加80%,第二級施加100%,第三級微調(diào)。

  第一級張拉千斤頂由兩邊往中間移動。

  第二級張拉千斤頂由中間往兩邊移動。

  流程圖如下:

預(yù)應(yīng)力施加流程圖

 ?。ㄈ┦┕み^程中監(jiān)測技術(shù)

  四、老山自行車館

  工程概況:

  建設(shè)地點:北京石景山區(qū)

  賽時功能:步槍、手槍和移動靶項目

  外部形狀:蝶形

  建筑面積:3.3萬m2

  鋼屋蓋直徑:149.5m

  建筑高度:69.21m

  座席數(shù):6000個

  鋼屋蓋設(shè)計特點

  鋼屋蓋為球型節(jié)點網(wǎng)架結(jié)構(gòu),支在10.35m高的鋼人字柱上(球絞可轉(zhuǎn)動支座),網(wǎng)架為正放四角錐桿接球節(jié)點,網(wǎng)格尺寸約4m,總重量570T。

  中心鋼網(wǎng)殼安裝技術(shù)

  施工方法采取“逐圈外擴,分步提升”的方法。

  提升系統(tǒng)采用由絞磨牽引的獨腳拔桿系統(tǒng)(土方法),先在地面上組裝好直徑為40米的內(nèi)圈網(wǎng)殼,用8根拔桿提升到一定高度后,將網(wǎng)殼四周接擴至直徑72米(安裝中圈)。在此范圍內(nèi)再安裝中圈拔桿14根,提升到一定高度再向外圈擴接安裝第三圈網(wǎng)殼達103米直徑,依此類推,安裝第四圈網(wǎng)殼達125米直徑(安裝外圈),重量為520T,共分6次完成提升就位。

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  五、北京科技大學(xué)體育館

  工程概況

  建設(shè)地點:北京科技大學(xué)

  賽時功能:柔道、跆拳道

  建筑面積:2.5萬m2

  座席數(shù):固定4068個、臨時3956個

  鋼屋蓋設(shè)計特點

  比賽館之屋蓋為正交正方桁架式螺栓球節(jié)點,網(wǎng)架鋼管間直接相貫的焊接點節(jié)桁架;游泳館鋼屋蓋為正交斜放桁架式螺栓球節(jié)點網(wǎng)架,網(wǎng)架桿件采用直縫高頻管或無縫鋼管,D≥140mm,Q345B級鋼,<140mm為Q235;鋼球為45#鋼,高強螺栓為40Cr,桁架鋼管Q345B無縫鋼管,鋼板為Q235。

  鋼屋蓋施工技術(shù)

  1、比賽館和游泳館的鋼屋蓋均采用地面拼裝、土法(拔桿)提升 施工技術(shù)。(比賽館網(wǎng)架拔桿平面布置圖)

網(wǎng)架施工區(qū)域劃分圖

比賽場館網(wǎng)架拔桿西立面布置圖

  2、網(wǎng)架吊點設(shè)置

  六、五棵松體育館工程

  主要內(nèi)容

  一、工程簡介

  二、施工組織的實施

  三、屋面鋼桁架深化設(shè)計

  四、滑移輔助措施設(shè)計

  五、屋面桁架滑移

  六、桁架卸載

  七、鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制情況

  1.工程簡介

  工程概況

  五棵松體育館將作為北京2008年奧運會籃球比賽場館,占地面積20000m2,可容納觀眾約1.8萬人。五棵松體育館結(jié)構(gòu)地上6層(含1個夾層),地下1層,檐高高度為37.3 m,主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架,屋架結(jié)構(gòu)為120m雙向正交魚腹式空間鋼桁架體系。

  屋面鋼桁架總重量約3500t,桁架為雙向?qū)ΨQ布置,間距為12m,共有26榀。桁架截面形式為上弦水平、下弦魚成變高度魚腹式,支座處高均為6.3m,跨中高最從6.3~9.3m不等。桁架上下弦和腹桿桿件截面為箱形和H型,所用鋼材材質(zhì)為Q345C,最大板厚為50mm。屋面桁架共有20個支座,其中屋架結(jié)構(gòu)四角的支座為固定鉸支座,其余16個支座為滑動球鉸支座。

  工程特點及難點

 ?。?)施工時結(jié)構(gòu)受力體系改變大

  本工程屋面桁架是由雙向正交的平面桁架組成的空間桁架體系。構(gòu)件在安裝滑移過程中,由于空間體系尚未形成,原雙向受力,在安裝過程中為單向受力體系,對結(jié)構(gòu)的受力體系有所改變,因此施工時必須采取相應(yīng)加固措施,保證施工過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與撓度在許可的范圍內(nèi)。

 ?。?)結(jié)構(gòu)跨度大

  本工程中桁架的跨度為120m。同時鋼桁架雙向受力,施工時要盡量保證空間的整體性,因此桁架在制作運輸分段時,將主桁架分為24m左右的制作單元,利用本工程北側(cè)的拼裝場地進行拼裝。

 ?。?)結(jié)構(gòu)雙向布置、其桁架下弦存在空間關(guān)系

  由于桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計為雙向受力體系且下弦為魚腹形狀,存在空間關(guān)系,地面拼裝、高空拼裝空間關(guān)系控制難度較大。

 ?。?)單件體型大,構(gòu)件重

  本工程桁架單件體型大,桁架兩端高度在6.3~9.3m之間,構(gòu)件的單重較大,最重單榀桁架的重量達到165t。

 ?。?)鋼結(jié)構(gòu)加工、安裝焊接技術(shù)難度較大

  由于本工程屋面鋼桁架上下弦桿件多采用焊接箱形和H型,一級焊縫較多,構(gòu)件加工制作及現(xiàn)場安裝焊接要求較高。同時,由于構(gòu)件截面存在部分厚板,焊接時需考慮厚板焊接工藝。

 ?。?)滑移胎架設(shè)計難度較大

  由于桁架總重量較大,支撐胎架單點最大荷載達到3000KN且滑移施工荷載為非固定荷載,滑移施工胎架設(shè)計分析難度較大。另外滑移措施結(jié)構(gòu)多與混凝土結(jié)構(gòu)存在關(guān)系,相關(guān)措施設(shè)計較為復(fù)雜。

 ?。?)由于桁架總長120m,分為十次滑移,滑移同步控制難度較大。

  2.施工組織的實施    編制施工方案

  總計編制了各種施工方案28份。

  施工組織設(shè)計、焊接方案、加工制作方案、上部埋件吊裝方案、下部埋件吊裝方案、柱間支撐吊裝方案、臨時支撐塔架安裝方案、桁架地面組裝方案、桁架分段吊裝方案、桁架高空拼裝方案、滑移方案、屋面滑移指揮控制方案、測量控制方案、鋼結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測方案、安全施工方案、冬期施工方案、施工用電方案、緊急預(yù)案、試滑移方案、東西控制室安裝方案、c~d跨補襠桁架施工方案、鋼結(jié)構(gòu)防雷方案、檢驗批劃分專向方案、卸載方案等等。為鋼結(jié)構(gòu)施工提供了全面的技術(shù)指導(dǎo)。

  總體思路

  屋面鋼結(jié)構(gòu)的工序概括起來:

  分段加工--工廠預(yù)拼--現(xiàn)場地面整拼--分段吊裝--高空拼裝--單元滑移--拼裝滑移更替--拼裝結(jié)束--滑移到位--整體卸載

  滑移系統(tǒng)配置

  A、總體布置原則

  由計算得出桁架支撐點的反力值,得出摩擦力,配置爬行器的規(guī)格及套數(shù)。滿足鋼屋蓋滑移單元滑移驅(qū)動力的要求,使每臺液壓爬行器受載均勻。

  B、滑移承重系統(tǒng)配置

  本工程中設(shè)置3組共6條滑移軌道,其中:①、⑥軸線的砼梁上分別設(shè)置2條軌道,各配置一組(2臺)TJG-1000型液壓爬行器;在③/④軸線的中間設(shè)置2條臨時軌道,配置一組(4臺)TJG-1000型液壓爬行器。

  3. 屋面鋼桁架深化設(shè)計  深化設(shè)計

  屋面鋼桁架的詳圖轉(zhuǎn)化實際上是一次二次設(shè)計的過程,由于施工采用三滑道滑移施工,使得部分中滑道附近的部分桿件不能滿足滑移施工施工要求,因此在詳圖設(shè)計的過程中就對此類構(gòu)件進行了加固,加固了144根桿件。改造之后的模型及計算結(jié)果經(jīng)設(shè)計院校核獲得認可。

  4.滑移輔助措施設(shè)計   高空拼裝平臺設(shè)計

高空拼裝平臺整體照片

  中滑道設(shè)計

  中滑道胎架格構(gòu)柱穿樓板、看臺處理措施:

  為了避免中滑道胎架立柱的荷載直接傳遞到混凝土看臺及樓板上造成破壞,胎架主肢穿樓板時,用預(yù)留孔洞或開洞的辦法,孔洞大小為350mm*350mm,一個胎架構(gòu)柱四個孔洞 。

  中滑道部分鋼柱下為軟墊層,由于軟墊層不能提供支承力,經(jīng)設(shè)計驗算得知僅憑混凝土板不足以承載。因此,柱傳遞的荷載通過“轉(zhuǎn)換柱腳”將荷載分散到0.00米平臺以下的剪力墻,然后傳遞至混凝土基礎(chǔ)。

[Page]
 ?。?)邊滑道槽形梁改造

  將混凝土結(jié)構(gòu)中柱頂槽形梁進行剛度加強后,在其單肢上鋪設(shè)鋼軌作為邊滑道。

 ?。?)控制室處補襠桁架

  由于C、D軸線間的槽型梁為單肢,軌道無法鋪設(shè),所以此處加設(shè)一補襠桁架,使之在滿足滑移要求前提下,保證結(jié)構(gòu)安全。

 ?。?)樹樁支撐和托梁設(shè)計

  對于中滑道位置的屋面桁架下弦標(biāo)高不一致的特點,我們選用了四棱錐與長方形托盤組合的設(shè)計來找平標(biāo)高。

  5 .屋面桁架滑移

  滑移措施

 ?。?)為了減小摩擦力,在所有軌道表面,均勻的涂抹黃油。

 ?。?)滑移托梁和樹樁支撐的底部焊接滑移擋塊作為滑移限位器。

 ?。?)滑移同步控制精度:液壓同步滑移控制精度為±5mm。同步控制中的容柵傳感器。

  (4)滑移過程監(jiān)控措施:根據(jù)預(yù)先通過計算得到的滑移頂推工況各頂推點反力值,在計算機同步控制系統(tǒng)中,對每臺液壓爬行器的最大頂推力進行設(shè)定。當(dāng)遇到頂推力超出設(shè)定值時,液壓爬行器自動采取溢流卸載,以防止出現(xiàn)頂推點荷載分布嚴重不均,造成對結(jié)構(gòu)的破壞。

 ?。?)滑移速度控制

  液壓滑移備系統(tǒng)的推移速度取決于,泵站液壓油流入爬行器油缸所用時間,因此滑移速度是可以控制的。在本工程中,滑移最大速度約10m/h。

  滑移情況

  10次滑移全部完成:

  首次滑移于2006年4月16日實施;

  第二次滑移于2006年4月25日實施;

  第三次滑移于2006年5月4日實施;

  第四次滑移于2006年5月12日實施;

  第五次滑移于2006年5月22日實施。

  第六次滑移于2006年5月31日實施。

  第七次滑移于2006年6月9日實施。

  第八次滑移于2006年6月16日實施。

  第九次滑移于2006年6月23日實施。

  第十次滑移于2006年7月19日實施。

  滑移過程監(jiān)測

  變形監(jiān)測目的:

  變形監(jiān)測主要指監(jiān)測滑移和卸載后過程桁架的撓度,滑移過程中檢測的目的是為了檢驗施工驗算分析得出的計算結(jié)果與實際施工情況的偏差,為下一步施工提供數(shù)據(jù)和警示。

  監(jiān)測方法:

  撓度的監(jiān)測,在拼裝平臺桁架采用水準(zhǔn)儀測量,已滑移的桁架采用全站儀反射貼片功能進行測量。

  監(jiān)測結(jié)果:

  經(jīng)統(tǒng)計,滑移完成后桁架撓度情況正常,三滑道支撐狀態(tài)下,60m桁架撓度平均值15mm,最大值24mm,與設(shè)計計算值28mm吻合。

  應(yīng)力監(jiān)測目的:

  監(jiān)測的主要目的是通過現(xiàn)代化的監(jiān)測技術(shù),來監(jiān)測滑移和卸載兩個階段屋面桁架體系和支撐胎架體系的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況,確保施工安全萬無一失。

  監(jiān)測的方法:

  使用光纖光譜應(yīng)變傳感器來測量鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變,通過計算公式導(dǎo)換成桿件的應(yīng)力值,再將已測得應(yīng)力值與計算分析的應(yīng)力值對照,從而分析鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況是否為良性。

  監(jiān)測結(jié)果:

  現(xiàn)有布置167個應(yīng)力見測點,16個溫度補償監(jiān)測點,整個鋼結(jié)構(gòu)施工過程未出現(xiàn)報警,監(jiān)測應(yīng)力最大值131Mpa(規(guī)范許用應(yīng)力為250Mpa,計算分析值為144Mpa),位于南側(cè)桁架3,出現(xiàn)在第8次滑移過程中。

  6.卸載

  卸載流程簡介

  卸載施工總體思路:

  屋面滑移施工將整個屋架的標(biāo)高抬高了50mm,因此卸載過程實質(zhì)就是先將整個屋面標(biāo)高降低50mm,然后再讓中滑道自然下?lián)系倪^程。

  卸載施工主要步驟:

  1、拆除槽形梁處滑動托梁,釋放掉屋架槽形梁上壓力。

  2、中滑道所有支撐標(biāo)高同步下降50mm。

  3、邊滑道完全卸載。

  4、中滑道完全卸載。

  卸載施工方法

  槽形梁上的滑移支座卸載

  第1步施工程序:

 ?。?)將千斤頂架設(shè)在混凝土柱頂?shù)幕仆辛合路?,同步向上頂?0mm,抽出滑移托梁下的鋼軌。

  (2)在桁架底座下墊2塊20mm厚鋼板和2塊10mm厚鋼板。

  第2步施工程序:

 ?。?)使用備用千斤頂逐個將槽形梁上的滑移托梁頂起10mm;

 ?。?)將滑移托梁下的軌道抽出,然后降下千斤頂,拆除滑移托梁。

 ?。?)最后將柱頂上的千斤頂頂起,抽出桁架底座下10mm的鋼板,回落千斤頂。

節(jié)點示意流程圖(1)

節(jié)點示意流程圖(2)

節(jié)點示意流程圖(3)

節(jié)點示意流程圖(4)

節(jié)點示意流程圖(5)

節(jié)點示意流程圖(6)

  中滑道11個支座下降50mm

[Page]
  第1步施工程序:

  將千斤頂?shù)箵Q至中滑道,將滑移托座同步頂起5mm,抽出托座下鋼軌。

  第2步施工程序:

  將千斤頂回落50mm, 用鋼板墊實?;芈浜螅媳备饔?個支座就位。回落時,為保證安全,分5次逐次回落,每次約下降10mm。

節(jié)點示意圖

  邊滑道卸載

  第1步施工程程序:

  將道柱頂滑移托梁頂起5mm,抽出滑移托梁下的鋼板墊塊。

  第2步施工程序:

 ?。?)將千斤頂回落50mm,桁架周邊支座全部到位;考慮到卸載安全,卸載采用分級卸載,每級卸載10mm。

  (2)滑移托梁拆除。

  (3)周邊支座與桁架底座進行焊接(除結(jié)構(gòu)四個角柱支座),使支座達到受力狀態(tài)。

  中滑道卸載采用等距卸載法卸載,9個卸載點等距卸載,先達到卸載位置的千斤頂自然放松。共卸載約150mm,分為15級卸載,每級卸載10mm。

卸載完畢后屋面各測點的撓度

  7.質(zhì)量控制情況

  材料驗收

  鋼材采購及復(fù)檢:

  2006年1月10日已完成4818噸,共61種規(guī)格,所有零星配套材料于3月7日已全部進廠,總計進場材料約5018噸。

  按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求進行了試驗和復(fù)試,共進行各種規(guī)格的鋼材原材復(fù)試 29 批次,所代表批量2329噸,試驗和復(fù)試結(jié)果全部合格。

  共進行焊材復(fù)試7批次,代表批量60.7 噸;高強度螺栓復(fù)試 29 批次,總代表批量51297套 ;高強螺栓摩擦面抗滑移系數(shù)試驗3批,代表鋼結(jié)構(gòu)噸位4508t。

  五棵松體育館鋼結(jié)構(gòu)工程所使用的鋼板、高強度螺栓及焊材,由總包和監(jiān)理工程師進行見證取樣和送檢工作,全部進行了第三方檢測試驗。

  檢驗批驗收

  截止到目前,鋼結(jié)構(gòu)加工、安裝共完成各類檢驗批709個,其中工廠加工部分共計432個,現(xiàn)場安裝部分277個。各檢驗批均通過監(jiān)理工程師的驗收,驗收資料齊全。

  焊縫無損檢測情況:

  自檢檢測單位:工廠部分由加工單位檢測,安裝部分由深圳生富檢測公司檢測,第三方檢測單位由甲方委托北京質(zhì)量監(jiān)督站第一檢測所。

  現(xiàn)場已焊焊縫10064條,自檢一次合格9992條,自檢一次合格率99.28%;第三方檢測按規(guī)定抽查5%,抽查一次合格率100%。

第三部分    奧運工程其它新技術(shù)

  1、深基坑護坡技術(shù);

  2、高性能混凝土(含大體積混凝土);

  3、直螺紋鋼筋接頭及高效鋼筋;

  4、模板新技術(shù);

  5、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)及施工、安裝新技術(shù);

  6、滲透結(jié)晶型防水涂料;

  7、膜結(jié)構(gòu)應(yīng)用;

  8、施工過程中監(jiān)測技術(shù)。

第四部分 結(jié)束語

  以上所講內(nèi)容,只是我作為專家組成員,多次參加研討搜集的資料。這些內(nèi)容可以說是冰山一角,還有許多未涉及到的新技術(shù)、新材料、新工藝,等待大家以后閱讀這方面的專業(yè)文章,再進一步全面、系統(tǒng)地掌握。

  例如體現(xiàn)“綠色奧運、科技奧運、人文奧運”三大理念的,在奧運村第一次全面采用世界最先進的太陽能光熱系統(tǒng);在五棵松文化體育中心等場館采用中水處理和雨水再收集技術(shù)等等,大家根據(jù)各自的專業(yè)各取所需。

  不足之處,請大家批評指正!


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