钢结构吊装施工工艺|国家体育场的钢结构是如何建造的？给你看

本文主要从方案选择、施工部署、主次结构吊装、钢结构收支卸、厚板焊接等方面介绍了国家体育场钢结构安装过程中的关键施工技术。希望能为类似项目提供参考。.

关键词：钢结构，吊装，合拢，卸载，厚板焊接，关键施工技术

1 项目概述

国家体育场钢结构由24个双门刚架围绕体育场内的混凝土碗形看台区域旋转组成，其中22个拉穿或基本拉穿。大跨度钢结构采用大量由钢板焊接而成的箱形构件。交叉布置的主体结构与屋顶和立面子结构编织成“鸟巢”形状。所有钢结构构件形成结构和建筑形状。

钢结构屋盖为双曲面鞍座型，最高点68.5m，最低点40.1m；平面为椭圆形，长轴332.3m，短轴297.3；屋顶中部开口内圈为椭圆形吊车公司，长轴185.3m，短轴127.5m；大跨屋盖支撑24根桁架柱以上，柱距38.0m。

屋盖主体结构为箱形截面，上弦截面基本为1000mm×1000mm，下弦截面基本为800mm×800mm，腹板截面基本为600mm×600mm，腹杆与上下相交弦，屋架高度为12.0m。由24根组合钢结构柱垂直支撑，每根组合钢结构柱由两根1200mm×1200mm的箱形外柱和一根菱形内柱组成。每根桁架柱都装有一个T型钢柱脚，荷载通过它传递到地基。立面子结构截面基本为1200mm×1000mm，顶面子结构截面基本为1000mm×1000mm。

设计总耗钢量约4.2万吨。钢板最大厚度为110mm。钢板厚度≤34mm时，选用Q345钢；钢板厚度≥36mm时，选用Q345GJ钢；钢板厚度为100mm时，选用Q345GJ和Q460钢；当厚度为110mm时，使用Q460钢。具体板厚分布如图1-2所示。另外，桁架柱内柱由菱形截面转为矩形截面，采用GS-20Mn5V级铸钢件（C19桁架柱除外），铸钢件最大厚度为140mm。

而且，设计对钢材的抗撕裂性和冲击韧性提出了明确的要求。具体情况见表1-1、表1-2。

此外，设计规定钢结构的合闸温度为14±4℃，支撑塔的卸荷按照“分阶段同步、整体分级”的原则进行。

2 工程特点及难点

2.1 使用了大量的空间弯扭构件，节点复杂，制造安装难度大

为了体现“鸟巢”独特的建筑造型，本项目使用了大量没有固定线的空间弯扭构件。同时，在本项目中，无论是主体结构之间，还是主次结构之间，都存在多构件空间交叉的现象；此外，二级结构复杂多变，规律性较少，使得主体结构的节点结构相当复杂。节点种类多，制作安装精度高。如图2-1所示。

2.2 组件体积大，单体重量重，组件不易翻转吊装。

桁架柱作为屋面结构的主要承重构件，最大外部尺寸为25m×20m×68.5m，分两段吊装。吊装单元重达360多吨，吊装高度可达68.5m。主桁架高度12m，双穿孔最大跨度约260m，最重起重装置262吨，最长构件约43m。由于元件体积大、重量重，各个元件的重心位置各不相同。翻转时很难设置吊点和选择吊耳，尤其是桁架立柱的翻转。有变化，需要考虑三向力。翻车过程中稳定性难以控制。提升时，必须调整分段组件的角度和方向。但是对于大而重的构件，角度调整比较困难，吊装也比较困难。如图2-2所示。

2.3 焊接量大，焊接难度大

该项目为全焊接钢结构，焊缝总长约30万米，焊缝总长约280万米。钢板厚度从3mm到110mm不等。焊接位置涉及平焊、横焊、立焊和仰焊，焊接工作跨越整个冬季。高强度钢（Q460E-Z35））的焊接和铸钢件（GS-20Mn5V）的焊接。薄板焊接变形大，厚板焊接熔敷量大，对温度控制和劳动强度要求高。高空焊接以及冬季和雨季焊接的耐候低温保护措施使焊接更加困难。

2.4 安装精度控制难，施工质量要求高

由于结构本身在施工过程中会因自身重量和温度变化而发生变形，结构复杂，均为箱形截面，具有很强的位置性和方向性。安装精度受现场环境、温度变化等多方面影响。精度极难控制。施工时必须采取必要措施，提前考虑如何调整和消除安装误差，如何测量和监测，使变形在受控状态下完成，保证整体造型和施工质量。此外，该项目的外观质量和内在质量（如焊缝质量等级等）都非常苛刻。其中，钢板拼接，弯扭截面构件组装焊缝、现场组装焊缝、安装焊缝均为熔透一级焊缝；钢结构立面必须有0~1mm的高度，在视线10m内可见。所有焊缝表面都需要抛光。

2.5 关门多，关​​门温度要求严格，实施难度大

根据设计要求，本项目主桁架和立面结构各设置4条合线。其中，主桁架（包括上下弦杆和腹杆）有100个关口，立面结构有28个关口，有大量关口。虽然立面结构和主桁架可以分阶段折叠，但一次闭合的对接节点数量仍然高达50个。 为了保证闭合线上的对接节点同时闭合，需要组织大量的人力物力。而且，整个钢屋面的安装和制造误差，最终都集中在这4条收尾线上。选择哪种关闭方法来消除此错误尤其困难。

2.6 卸货点多、吨位大、设计要求高、同步控制难

该项目卸货点多，卸货吨位大。屋顶总面积约60000平方米，卸货吨位约14000吨，78个卸货点。设计要求“整体结构同级卸货，严格按比例控制”，单点卸货吨位大。，最大点支撑力约300吨，卸货难实施。

2.7 顶部和肩部下部结构难以安装

顶部和肩部下部结构在主体结构卸载后安装。卸载后主体结构发生变形，现有加工以卸载前构型为基础，因此卸载前后的变形量会严重影响下部结构的安装精度。同时，结构本身在施工过程中会因自身重量和温度变化而发生变形。此外，结构复杂，箱形截面构件的位置和方向性强，安装精度难以控制。

3 施工方案选择

国家体育场钢结构是特大、大跨度的空间结构，构件自重产生的内力占很大比重。钢结构的施工顺序将对结构构件在重力荷载作用下的内力产生显着影响。为满足国家体育场工程总工期要求，按照施工组织总体设计部署，先施工看台混凝土结构，后施工钢结构. 因此，协调好钢结构安装与混凝土结构施工的关系，对于保证混凝土看台的连续施工具有重要意义，

大跨度钢结构常用的安装方案有整体吊装、滑动、分段吊装和高空拼装法（简称散装法）和局部整体吊装。针对国家体育场钢结构工程与其他支线工程的时空关系，在钢结构安装方案的选择过程中对上述四种方法进行了比较和考虑。由于采用整体吊装方案时，展台混凝土部分无法提前施工，室内装修工程和机电设备工程无法提前插入，导致整体工期受到限制；当采用滑移方案时，

根据调整后初步设计的具体技术条件，主要有以下原因：

屋面钢结构调整设计后，没有真正的“内圈桁架”；

贯通主桁架形成的“内环桁架”平面尺度大，截面板厚度比调整设计前大幅减少，高度差大，整体刚度差；

由于钢屋面内边界已扩展到东西两侧看台边缘，南北向跑道外侧扩展，“内环桁架”整体组装吊装地面对混凝土展台的施工影响较大。.

修改前后主要结构设计变化，详见图3-1。

鉴于以上原因，最终确定钢结构整体安装方案采用高空散装方案。

4 施工部署

主体结构的安装顺序遵循对称同步和安装区域局部稳定的原则。大体上分为三个阶段和八个区域。第一阶段安装1、2个zone；第二阶段安装3、4区，第三阶段安装5、6、7、8区。

二级结构的安装顺序对整体钢结构的安装有重要影响。为加强支撑塔各安装阶段及卸载过程中的整体横向稳定性，在支撑塔卸载前，确定遵循各阶段钢结构组合。立柱的安装为二次安装立面的结构。

根据设计要求，在主体结构卸载后安装顶部和肩部结构。

5 主体结构吊装

根据工程的结构特点和结构体系的形成过程，将主体钢结构安装分为三期八区，分期、分区对称安装。由于主体钢结构由钢柱和主桁架两部分组成，施工时先安装钢柱，再安装主桁架，以保证结构体系的逐步形成。

5.1 起重机选择

根据整体分段安装思路，由两台800t履带起重机在场外吊装支撑轮胎架的布置、分段重量、作业半径和起升高度，钢柱和外环主桁架分段吊装，内环和中环为主桁架段由两台600t履带起重机在场内吊装。

5.2 安装过程

根据现场情况、起重机的组合和施工任务的划分，将整个钢结构体系的施工分为两大施工区，两大施工区“分区对称安装”。如图5-1所示。

5.3 吊装条件

主体结构的吊装分为现场吊装和非现场吊装两部分。现场和异地吊装情况见图5-2。

6次结构提升

子结构吊装分为垂直面子结构和顶面及肩子子结构两部分。

立面的二级结构安装是随着桁架柱的安装逐步进行的。安装时应遵循“先安装柱脚，吊装与钢柱接触的二级结构，分段安装其他子结构”的原则。“安装”的原则应该是向上安装。钢柱本身的二级结构与钢柱组装在一起，然后在钢柱组装时分段吊装。典型立面二级结构吊装截面及安装顺序如图6-1所示。

顶、肩下部结构的安装在支撑塔卸载后进行。安装一般遵循隔板同步对称安装的原则，即I区和II区两个区同步对称安装。根据顶面和肩部结构的分布和结构受力，顶面和肩部结构的安装分为两个阶段：第一阶段是安装肩部结构和内环顶部下部结构。中环顶面二级结构安装在第二级。肩部和中环的安装从南北方向向东西两侧推进，内圈顶面下部结构的安装从安装​​分界线到台肩依次进行。具体安装顺序如图6-2所示。

7钢结构封闭

7.1 关闭部分选择

该工程结构复杂，跨度大，主屋架错开，合线选择困难。确定合拢线时，不仅要考虑结构本身的应力和变形，还要考虑钢结构的整体安装顺序和主桁架的安装断面，尽量减少合拢点的数量，确保安全。施工过程。同时，顶面主体结构采用24拉通或基本拉通的门式桁架编织而成。封闭断面的选择应尽量与24柱门式框架断开。经过反复选择和设计审查，主桁架的闭合线，

主桁架沿屋顶环有四条闭合线。主桁架合拢线充分利用了钢结构的两条分区施工线，增加了两条附加合拢线；

为保证整个结构的封闭性，立面结构和顶部下部结构在与主体钢结构封闭截面对应的位置沿屋盖周向设有4条封闭线；

安装时将合闸线上的钢结构杆全部断开，采用卡马临时搭接钢结构吊装施工工艺，保证合闸口的伸缩自由。

根据上述情况，主桁架有96个关口，立面次结构有28个关口，主桁架下弦连接梁有4个关口，共计128个关口。合闸口位置如图7-1和图7-2所示。

7.2 折叠序列

根据现场实际情况，结合设计，提出“第一道合闸元件应包含在以下合闸线合闸温度要求范围内”的原则。本项目的关闭顺序如下：

应先封闭主桁架，再封闭立面结构；主桁架闭合时，应先闭合两个施工区的内部闭合线，再闭合两个施工区之间的闭合线；立面二级结构一次同步关闭；同一合闸线的合闸口同时同步关闭。

7.3 闭合温度

关于关门温度，设计要求本工程关门温度为14±4℃。不过，根据钢结构项目的总体进度安排，关闭时间定在8月中下旬。查阅了项目现场近30年的气象资料，未能达到关门温度。为此，经有关部门协调，气象规划部门广泛研究讨论，以北京朝阳气象站1959—2005年47年气象资料为基础二手吊车，结合全球气温变化趋势，设计如下：关闭温度的调整：

主体结构关闭温度：19±4℃，相当于15℃~23℃；

子结构闭合温度：19℃-8℃~19℃+4℃，相当于11℃~23℃。

在实际合闸施工中，为在合闸过程中监测钢结构温度，保证设计温度要求，在钢结构各处布置了60个测温点，实时监测钢结构温度；同时，请北京气象台专业人士在现场设立临时天气预报站，提前预报天气和温度情况，指导关闭时间选择。

合闸施工温度监测结果表明，所有合闸施工在选定的运行时间段内均满足设计合闸温度要求。具体温度监测结果如图7-3、7-4、7-5 所示。

7.4 闭口安装过程

由于本工程合闸口数量较多，且合闸段的安装随着工程的整体安装过程分时进行，合闸段的安装质量不仅影响结构的安全安装过程中，也影响到结构的最终闭合和整体施工。结构在使用过程中的质量和安全，因此必须采取合理的安装工艺措施，以保证合闸段及相关部件的安装和结构的顺利合闸。具体工艺措施如下：

（1）为了控制合闸时合闸口的间隙大小，减少合闸口的焊接量和焊接残余应力，保证合闸口的焊接质量。安装合闸段时，尽量安装时控制闭合段的闭合。口之间的间隙大小，间隙的大小应考虑温度变形计算结果和焊接收缩变形。

（2）为保证合闸段施工过程中的安全，合闸段安装到位后，除设计要求的合闸接头外，其他接头部位必须及时焊接以增强结构的整体稳定性。性。

（3）为保证封闭口在施工过程中能因温度变化而自由伸缩钢结构吊装施工工艺，封闭口采用卡马搭接连接。卡马的尺寸和数量应根据界面力计算。

Kama 设置要求如下：

封口上缘有三个凸轮，另一侧有两个凸轮。为增加凸轮的横向稳定性，上翼缘两侧的凸轮均装有100×100×10mm的三角形加强板。除下翼缘的卡马焊接固定在已安装的主桁架牛腿上外，其余卡马焊接固定在合闸段的端口上，如图7-6所示。

（4）为保证安全，关闭段装好后，非关闭口必须及时焊接，焊接完成2/3以上才能松开钩子。在同时，合闸口卡必须按要求设置好，放钩时速度要缓慢平稳，注意观察合闸口的变化，如无异常，继续放钩. 当连接侧梁安装在合闸段中部时，还应观察合闸口。

（5）在整个安装过程中，要定期对关闭口进行跟踪检查。一是检查卡马的连接焊缝和变形情况，确保卡马的安全；二是检查关闭开口的间隙。

7.5 闭幕施工

参考桥梁等其他大跨度结构的施工经验，结合本工程结构长期采用对接焊缝的特点，采用卡马法实施合拢。即先用Kama同步焊接将结构封闭，形成一个整体。Kama折焊过程中，严格控制钢结构体的温度，达到设计要求；闭合卡马焊接完成后，进行闭合接头结构的对焊。继续焊接，直到对接焊缝焊接完毕；对接焊缝焊好后，对焊缝进行100%自检和第三方检测。

8 支撑塔的卸载

8.1 卸货点布置

主桁架安装采用地面分段、高空对接的施工方法。为此，在建筑区域内，内、中、外三圈布置了78座支撑塔。每个支撑塔的顶部设置两个千斤顶和两个垫板。块体支撑点作为主桁架段高空安装的主要受力支撑点。同时，这78个力支点在卸荷时作为卸荷点，实现支撑塔受力向结构受力的传递。支点布置见图8-1，各卸料点布置见图8-2。

8.2卸载计划

参考相关工程实践经验，通过大量计算、分析和比较，考虑不同的卸荷方式和卸荷量控制。在“分阶段整体分级同步”卸载原理下，同步控制是基于位移比和卸载反力。控制得到补充。卸载方案最终确定为由外到内的整体卸载顺序，外、中、内三环支撑塔各圈的卸载过程保持同步。三环支座每次卸载的位移与各点的最终总和相同。位移保持成比例关系，

整个卸载过程分为七个大步骤和三十五个小步骤。卸载时一、二、的三个步骤如下：先卸载外圈的10%，中圈的5%，内圈的5%，然后是中间的5%圆和内圆的 5%；三步完成后，外圆、中圆、内圆总卸载位移的30%为30%。四、五、六、七大卸料步骤为：每大一步先卸外圈1/4、中圈1/8、内圈为1/8，则中环为1/8，内环为1/8；最后四步完成后，外圈、中圈和内圈的总位移为70%。最终的支撑分离顺序是外、中、内。

由于卸载支撑点的卸载位移不仅在垂直方向上，而且在水平方向上。卸载时，千斤顶和垫板支架交替作用，以减少千斤顶的水平力。

8.3 卸载液压控制系统

为保证卸货计划的有效实施，经过分析比较，最终选择ENERPAC计算机控制的同步升降控制系统进行该项目的卸货工作。该系统基于闭环控制系统理论。它通过发送和采集这些顶升力和位移信号，对这些相似的信号进行比较和计算，并随时输出到显示器上，并及时提示用户进行修正，从而监控系统当前的运行状态。卸荷液压系统包括中央控制器、区域控制器、控制阀、油泵、千斤顶等，位移同步精度可达3mm。

卸载时，中央控制器首先向区域控制器发出向上（向下或停止）指令。泵站操作人员按指令将换向阀转到相应位置后，中央控制器启动泵站；在系统工作过程中，当系统发现压力值超过预设压力值时，说明卸载过程中该点负载过高，系统自动关闭所有泵，等待检查。液压控制系统如图8-3所示。

9 测控

9.1个测控网络

由于国家体育场钢结构的特殊形状，传统的施工测量控制网络不能满足国家体育场钢结构的需要控制网络建立了高精度的施工线控网络，保证定位精度现场组装和高空安装，控制网络精度可达0.3mm。

共布置了4个GPS点和12个高精度导线点，其中12个导线点采用强制对齐的形式。为避免施工对控制点位置的影响，保持控制点结果的可靠性，每三个月对控制网进行复测，每次测量开始前对相邻控制点进行检查。在计算中，利用测量专用校正软件对观测数据进行严格校正，校正后的控制点误差为2mm~3mm。

9.2 施工调查

针对地面拼装多点定位、多点检测、高空安装多接口对接等特点，改变了钢结构施工测量中测角、测距的传统方法。国家体育场。便捷的优势，从线控网络的观察到基本定位布图，从钢结构构件的地面组装到高空立体定位安装，全都使用全站仪。在测量过程中，先后使用了12个全站仪和1套（3）GPS定位器。其中，用于导线控制网络观测的Leica TCA2003全站仪是目前最先进、最准确的测量仪器。本仪器误差0.5秒，测距误差1+1ppm。其他全站仪 大部分仪器都是高精度的徕卡仪器。这些仪器在国家体育场钢结构施工测量中发挥了不可替代的作用。可以说“没有全站仪，就没有鸟巢”。

施工测量时，在测量控制网络的基础上，建立加密网络，以满足施工测量的需要。所有地面装配和高空安装都使用三维坐标来确定和审查装配和安装精度。同时，在安装过程中，地面装配测量控制对已经安装到位的构件进行形状测量，及时调整，保证安装装配的协调统一。

9.3激光雷达扫描技术

根据设计要求，在钢结构卸载后安装肩顶下部结构，肩顶下部结构施工图以卸载前构型为准。因此，卸载前根据施工图处理的肩顶下部结构界面会有较大偏差；此外，膜结构设计也是根据卸货前的三维模型设计的，设计配置与实际安装配置存在偏差。

为及时掌握安装过程的实际情况和卸货前后钢结构配置的变化，国家体育场工程应用激光雷达扫描技术，对安装过程和卸货前后的钢结构进行准确检测和记录。卸载。面和肩部的子结构装配和膜结构的施工提供了参考。

10厚板焊接

由于本项目结构跨度大、受力复杂等因素，24根桁架柱的设计大量使用了高强特厚板。其中部分采用100/110mm厚Q460E-Z35厚板（归一化状态）。该强度等级的厚板在建筑钢结构工程中的应用，国内外尚无先例。因此，采用合理的焊接工艺和工艺参数，防止热影响区脆化、焊接变形和母材撕裂，是工程成败的关键。

10.1焊接技术

（1）在保证熔深的前提下，小角度、窄间隙焊接坡口、小热输入、小焊道，采用多层焊接方式，减少收缩，有效控制焊接收缩变形

（2）焊接时严格控制焊接工艺参数，有效控制热影响区脆化，避免焊接裂纹；

（3） 严格控制母材质量，确保母材Z向性能达到设计要求；

（4）选用低氢高韧焊接材料，焊接时严格控制焊枪摆动幅度，保证焊缝及热影响区的冷弯和冲击性能。

10.2质量控制

在开展焊接质量控制时，坚持TQC的基本理念，进行全员、综合、全过程的质量控制，从“人、机”五个方面确保焊接过程的顺利实施。 、材料、方法、环境”，确保焊接工作有序进行。

有针对性地建立焊接质量保证体系，从组织上保证焊接质量。形成由专家顾问、焊接工程师、焊接技术人员及相关专业人员组成的技术管理机构。以焊工培训、焊接耗材、焊机优化为基础，以焊接裂纹控制为主导的焊接技术路线。在无损检测、预热等质量控制环节形成了科学严谨的质量保证体系。

重点关注以下几点：

（1）将焊机和焊材生产企业作为质量保证体系中重要的封闭控制环节，选择符合项目需要的优质焊机和焊材，保证项目的焊接质量；

（2）严格控制焊工等级，制定严格的培训、考试和准入制度；

（3）采用远红外电加热技术，对δ≥36mm的焊缝及重要焊接节点采用电加热，保证焊缝预热（后加热）温度的均匀性和准确性，严格控制焊接应力，防止焊接裂纹；

（4）根据《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）），结合本项目特点，编制焊接工艺评定计划，进行焊接工艺评定.

（5）自检无损检测单位的确定主要考虑人员素质、设备条件、技术支持等因素，无损检测单位参与焊接全过程管理，见证坡口处理、焊接方法、焊接参数等，为最终测试结果提供正确判断。

11 结束语

国家体育场钢结构工程于2005年10月28日正式开工吊装，2006年7月16日完成立面主体结构和次结构的吊装焊接，历时约9个月，总重量为钢结构约为40,000。吨。钢结构收尾工作于2006年8月31日完成，钢结构卸货于2006年9月17日完成。

自检和第三方监测数据表明，国家体育场钢结构工程的施工质量完全符合设计文件和《国家体育场钢结构施工质量验收标准》的相关要求。

目前钢结构安装全景图如图11-1所示。

谢谢

在撰写本文的过程中，得到了刘树屯、周文英、关一璐、刘子祥等国内知名钢结构专家的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢。