馬高峰

(中國鐵建國際集團(tuán)有限公司，北京 100039)

1 工程概況

卡塔爾盧賽爾體育場(chǎng)項(xiàng)目坐落于熱帶沙漠氣候的卡塔爾-多哈市盧賽爾區(qū)，作為2022年世界杯主體育場(chǎng)，備受卡塔爾當(dāng)?shù)貥I(yè)主和國際足聯(lián)(FIFA)關(guān)注。項(xiàng)目東西高，南北低，直徑約309m，最高處距地面約76m，建筑面積近19萬m2，容納觀眾9.2萬余人,如圖1所示。

圖1 盧賽爾體育場(chǎng)示意

2 鋼結(jié)構(gòu)工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

1)外觀為曲線造型 本項(xiàng)目的外部主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，24個(gè)矩形混凝土結(jié)構(gòu)柱通過球形支座支撐48榀V形桁架柱(簡稱V柱)，V柱上方為24榀桁架組成閉合的主桁架壓環(huán)，形成整體的外部鋼結(jié)構(gòu), 主體結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。該體育場(chǎng)的外部設(shè)計(jì)造型來源于阿拉伯傳統(tǒng)手工業(yè)打造的碗狀器皿，上部呈馬鞍形，為了更好地突顯體育場(chǎng)的建筑外觀造型，不但整個(gè)壓環(huán)為不規(guī)則構(gòu)件，支撐壓環(huán)的V柱也均為彎曲構(gòu)件，這一特點(diǎn)決定了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝的復(fù)雜性和安裝技術(shù)的高要求。

2)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝分段大，質(zhì)量重，形狀不規(guī)則 V柱鋼構(gòu)件采用臥拼工藝，單體最長達(dá)51.5m，寬15.4m，重約130t，呈香蕉狀。為了減小變形，脫胎吊裝時(shí)V柱的最終就位形態(tài)在三維空間中呈彎扭狀，形態(tài)較為復(fù)雜，需考慮大型桁架脫胎起扳工藝。同時(shí)，壓環(huán)在胎架上的位形與安裝時(shí)不同，拼裝完成后，需要在空中完成位形調(diào)整。

3)構(gòu)件安裝對(duì)接精度高 單榀壓環(huán)平均高13m，寬17m，長46m，最大質(zhì)量450t，要求管口錯(cuò)邊≤3mm，管口對(duì)接間隙≤20mm。壓環(huán)之間在70m高空精準(zhǔn)對(duì)接難度大。主體鋼結(jié)構(gòu)通過24個(gè)球形支座連接成一個(gè)整體，球形支座的內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，V柱和球形支座連接安裝過程中，要確保球形支座的安全。在V柱柱腳與球形支座頂板接觸時(shí)，要保證柱腳底板的水平度，以免柱腳底板與支座頂板不均勻接觸造成應(yīng)力集中，對(duì)支座造成破壞，同時(shí)也提高了對(duì)吊裝精度的要求。

3 鋼結(jié)構(gòu)吊裝

3.1 吊裝工況

盧賽爾體育場(chǎng)V柱拼裝過程中，將一對(duì)V柱分為2種工況： ①帶柱腳V柱，即柱腳與V柱拼裝在一起吊裝，在柱腳與球形支座頂板接觸時(shí)，要保證柱腳底板的水平度，以免柱腳底板與支座頂板不均勻接觸造成應(yīng)力集中，對(duì)支座造成破壞； ②不帶柱腳V柱，即V柱不與柱腳拼裝，在起吊后與柱腳在高空對(duì)位焊接(見圖3)。

圖3 V柱連接方式

3.2 起重機(jī)及吊索具

采用恩派克(Enerpac)HSL20006型千斤頂，允許使用最大拉力為2 000kN，試驗(yàn)荷載拉力為2 500kN，完全滿足構(gòu)件的吊裝使用要求。穿心式千斤頂通過計(jì)算機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)節(jié)千斤頂鋼絞線長度。穿心式千斤頂一個(gè)行程為480mm，最小調(diào)整精度可以達(dá)到1.7mm/s。

將4個(gè)穿心式千斤頂設(shè)于相應(yīng)的4個(gè)反力架內(nèi)，反力架上端通過鋼絲繩與起重機(jī)主吊鉤連接，鋼絞線穿過千斤頂后從反力架的下端與構(gòu)件的吊耳連接。通過計(jì)算機(jī)控制穿心式千斤頂泵站，調(diào)節(jié)千斤頂中液壓油量，實(shí)現(xiàn)千斤頂對(duì)鋼絞線的長度調(diào)節(jié)。每個(gè)穿心式千斤頂可以進(jìn)行雙向操作，即向上提升或向下放置，通過4個(gè)穿心式千斤頂同步協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼構(gòu)件位形的精確調(diào)整。

異形鋼構(gòu)件最大吊裝質(zhì)量約為185t，經(jīng)綜合分析，采用Terex Demag CC2800型600t履帶式起重機(jī)，主臂84m，工作半徑30m，超起轉(zhuǎn)動(dòng)半徑15m，超起配重300t，可實(shí)現(xiàn)218t重物的吊裝，異形鋼構(gòu)件最大吊裝使用效率為84%，未超過安全吊裝范圍。穿心式千斤頂?shù)跛骶卟贾萌鐖D4所示。

圖4 穿心式千斤頂?shù)跛骶卟贾?/p>

3.3 吊裝工藝原理

3.3.1位形轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)確定

已知起始位形(地面拼裝位形)和最終就位位形，判斷中間應(yīng)有起扳、翻轉(zhuǎn)、柱腳底板找平3個(gè)階段。以此分析確定了構(gòu)件吊裝的5個(gè)位形轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)，即平躺、起扳、翻轉(zhuǎn)、支座底板找平、最終就位前整體位形的微調(diào)。

3.3.2重心確定

通過Tekla軟件對(duì)構(gòu)件建模，輸入所有構(gòu)件信息，軟件可自動(dòng)分析出構(gòu)件的重心位置。

3.3.3吊點(diǎn)位置確定

吊點(diǎn)位置一般依據(jù)構(gòu)件的重心位置和幾何尺寸確定，優(yōu)先選擇位于構(gòu)件重心點(diǎn)兩側(cè)且對(duì)稱的位置。對(duì)于異形構(gòu)件，考慮到構(gòu)件的強(qiáng)度，吊點(diǎn)應(yīng)盡量布置在節(jié)點(diǎn)的位置上。吊點(diǎn)位置初步選定好后，根據(jù)5個(gè)位形轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)牡跛骶呓嵌?，一般要求吊索具與水平面的夾角為45°～60°。依據(jù)構(gòu)件重心位置和吊索具角度計(jì)算吊索具長度。在任何情況下，構(gòu)件重心與吊鉤點(diǎn)都會(huì)旋轉(zhuǎn)至重心線上。

初步選定吊點(diǎn)位置和吊索具長度后，依據(jù)起吊過程中的受力情況，對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

在整個(gè)吊裝翻身過程中，構(gòu)件應(yīng)變必須保持在彈性變形范圍內(nèi)，不得產(chǎn)生塑性變形。若驗(yàn)算不能通過，則需適當(dāng)調(diào)整吊點(diǎn)位置、增加吊點(diǎn)數(shù)量和調(diào)整吊索具長度，再次試算，直至驗(yàn)算通過。最終確定布置4個(gè)吊點(diǎn)，配置4套穿心式千斤頂?shù)跛骶摺?/p>

3.3.4吊耳設(shè)計(jì)

依據(jù)確定的吊點(diǎn)位置和各個(gè)位形轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)吊索具受力情況，對(duì)吊耳安裝角度及相應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保鋼構(gòu)件在翻身過程中滿足吊裝要求。

3.3.5起重機(jī)行走路線及位置確認(rèn)

V柱在地面拼裝的重心線和安裝重心線的連線，即為起重機(jī)帶荷載行駛路線。起重機(jī)吊鉤位于V柱在地面重心線的正上方，根據(jù)起重機(jī)主吊臂旋轉(zhuǎn)半徑與行駛路線交叉點(diǎn)的中心，確定起重機(jī)起吊位置。

3.4 吊裝操作要點(diǎn)

3.4.1吊裝流程

構(gòu)件拼裝形成待吊單元→綁鉤后對(duì)吊繩進(jìn)行加載→構(gòu)件脫離胎架→構(gòu)件起扳翻身，達(dá)到在空中安裝后的位形角度→起重機(jī)帶荷載行走至吊裝位置→吊裝就位后進(jìn)行裝配、打螺栓報(bào)驗(yàn)→起重機(jī)脫鉤→準(zhǔn)備下一個(gè)吊裝單元。

3.4.2吊裝前準(zhǔn)備

構(gòu)件脫離拼裝胎架前，要仔細(xì)檢查胎架和構(gòu)件之間的焊接卡板是否完全與構(gòu)件脫離，以及構(gòu)件拼裝的腳手架是否還有桿件連接到吊裝構(gòu)件上。構(gòu)件與非吊裝附屬設(shè)施完全脫離后，方可開始吊裝。

3.4.3構(gòu)件空中翻身與吊裝就位

根據(jù)5個(gè)位形轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)的吊索具長度，通過計(jì)算機(jī)控制調(diào)整穿心式千斤頂鋼絞線的長度，使構(gòu)件在空中實(shí)現(xiàn)翻身、位形調(diào)節(jié)。具體5個(gè)位形轉(zhuǎn)變節(jié)點(diǎn)的操作要點(diǎn)如下。

1)平躺階段 通過輕微收縮穿心式千斤頂鋼絞線長度，達(dá)到預(yù)受力狀態(tài)。緩慢提升起重機(jī)主繩索，使構(gòu)件脫離拼裝胎架，再將構(gòu)件提升離地面1m高，靜置30min，確保內(nèi)力均勻分布。

2)起扳階段 通過調(diào)整起重機(jī)主吊繩，將構(gòu)件抬高，同時(shí)開始調(diào)整4組鋼絞線的長度，使構(gòu)件開始傾斜。過程中需保持4組千斤頂都處在受力狀態(tài)，并且控制索力不超過理論值的15%。同時(shí)注意控制構(gòu)件距離地面的高度，避免構(gòu)件翻身過程中柱腳觸地。

3)翻轉(zhuǎn)階段 繼續(xù)調(diào)整4組鋼絞線的長度，使構(gòu)件開始翻轉(zhuǎn)，操作要點(diǎn)同起扳階段，同時(shí)注意控制調(diào)整速度，時(shí)刻監(jiān)控外部風(fēng)速，使構(gòu)件重心穩(wěn)定。

4)支座底板找平階段 繼續(xù)調(diào)整4組鋼絞線的長度，使柱腳底板調(diào)平，通過水平尺確認(rèn)。柱腳板調(diào)平后，需要調(diào)節(jié)起重機(jī)超起量，使其離開地面約20cm，然后起重機(jī)帶荷載旋轉(zhuǎn)，并移動(dòng)一段距離，使構(gòu)件到達(dá)安裝位置。

5)就位前位形微調(diào)階段 最終就位前，通過微調(diào)4組鋼絞線的長度，對(duì)構(gòu)件整體位形進(jìn)行微調(diào)，最終精確就位。吊裝完成效果如圖5所示。

圖5 精確就位

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)建筑由于其強(qiáng)度高、自重輕，低碳、環(huán)保節(jié)能，材質(zhì)均勻、安全可靠，抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)在體育場(chǎng)館項(xiàng)目中得到越來越多的應(yīng)用。在盧賽爾體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程的實(shí)際施工中，根據(jù)鋼構(gòu)件均為曲線、質(zhì)量大、精度高的特點(diǎn)，采用雙向穿心式千斤頂、構(gòu)件空中翻身單機(jī)起扳吊裝技術(shù)，操作空間小，機(jī)動(dòng)靈活，對(duì)其他作業(yè)面干擾少，同時(shí)確保了操作的安全性和安裝的精確性，提高了體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。