2022世界杯主場館大型鋼構(gòu)件吊裝高空對接技術(shù)*

何小波，張 健，李文德

(中國鐵建國際集團(tuán)有限公司，北京 100039)

1 工程概況

盧賽爾體育場建成后將承辦2022年卡塔爾世界杯小組賽、半決賽、決賽及閉幕式等重大賽事活動。體育場外觀呈碗狀，邊緣為馬鞍形，東西高、南北低。觀眾總?cè)萘考s92 100人，建筑面積約19萬m2，屋面投影直徑309m。采用獨(dú)立基礎(chǔ)+筏板，看臺結(jié)構(gòu)體系由框架-剪力墻+鋼桁架結(jié)構(gòu)組成，外立面結(jié)構(gòu)由主體鋼結(jié)構(gòu)和屋面索膜結(jié)構(gòu)組成。主體鋼結(jié)構(gòu)由24段壓環(huán)、48榀V形柱(簡稱V柱)及V柱間幕墻填充桁架組成。盧賽爾體育場壓環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 盧賽爾體育場壓環(huán)結(jié)構(gòu)示意

2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

1)體型大，質(zhì)量重

壓環(huán)整體為空間鋼管結(jié)構(gòu)，總質(zhì)量8 302t。共分24段安裝，有3種安裝接頭形式，其中4段龍頭構(gòu)件兩端帶箱形截面柱接頭，與V柱對接連接，尺寸46m×21.5m×13m；16段龍身一端帶柱接頭，另一端管與管對接，尺寸41m×21.5m×13m；另外4段龍尾為最后合龍段，兩端管對接，尺寸37.4m×20.3m×10.5m。單段壓環(huán)最大質(zhì)量425t，最小質(zhì)量312t，起吊安裝難度大。壓環(huán)分段接頭類型如圖2所示。

圖2 壓環(huán)分段接頭類型

2)桿件多，焊縫多，工作量大

每段壓環(huán)包含200多根桿件，300多道焊縫，交叉節(jié)點(diǎn)多，工作量大。存在大量相貫焊縫，焊口復(fù)雜，高空作業(yè)，施工難度大。桿件截面參數(shù)類型多，截面參數(shù)如表1所示。最大桿件直徑1 600mm、壁厚50mm，最小桿件直徑273mm、壁厚10mm。

表1 桿件截面參數(shù)

3)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜

壓環(huán)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，其中包含設(shè)備平臺、集水箱、馬道、天溝、幕墻連接桿及索膜連接件的安裝。施工過程中高空交叉作業(yè)，需搭設(shè)大量腳手架操作平臺及登高車配合，施工難度大。

圖4 吊裝順序

4)次結(jié)構(gòu)安裝困難

主次結(jié)構(gòu)安裝不同步，部分次結(jié)構(gòu)需在壓環(huán)整體吊裝完畢，支撐塔架卸載完成后再進(jìn)行安裝，由于卸載后產(chǎn)生的變形使次結(jié)構(gòu)安裝邊界條件發(fā)生改變，但次結(jié)構(gòu)是按卸載前的邊界條件進(jìn)行加工和拼裝的，導(dǎo)致后期安裝對口和精度控制難度增大。

3 場地布置及設(shè)備選用

3.1 場地布置

體育場分為Z1～Z8共計8個區(qū)，每個區(qū)3段壓環(huán)。壓環(huán)拼裝場地分別設(shè)置在Z3區(qū)和Z7區(qū)附近，其中Z3區(qū)包含4個(2個下拼和2個上拼)平拼場地，2個立拼場地，供Z1～Z6區(qū)壓環(huán)拼裝。Z7區(qū)包含1個(上拼)平拼場地，1個立拼場地，供Z7，Z8區(qū)壓環(huán)拼裝。拼裝場地布置及運(yùn)輸方案如圖3所示。

圖3 場地布置

壓環(huán)拼裝順序?yàn)椋毫⑵刺ゼ?布置在Z5-Z1-Z3區(qū)拼裝場地，立拼胎架2布置在Z6-Z2-Z4區(qū)拼裝場地，立拼胎架3布置在Z7-Z8區(qū)拼裝場地。龍頭段分別設(shè)置在Z5,Z1,Z7,Z3區(qū)，對應(yīng)壓環(huán)段為CR3A4A，CR15A16A，CR21A22A，CR9A10A；龍尾設(shè)置在Z6,Z2,Z8,Z4區(qū)，對應(yīng)壓環(huán)段為CR22A23A，CR10A11A，CR16A17A，CR4A5A。吊裝順序?yàn)椋篫5-Z6；Z1-Z2；Z7-Z8；Z3-Z4區(qū)，4個龍尾段最后合龍，吊裝順序如圖4所示。

3.2 設(shè)備選用

1)起重機(jī) 壓環(huán)施工工期為6個月，吊裝任務(wù)重，工期緊。在滿足施工質(zhì)量和施工安全的前提下，為保障工期，在具備吊裝條件后，先后進(jìn)場3臺大型履帶式起重機(jī)參與壓環(huán)吊裝。分別選取Demag CC8800-1(1 650t) 履帶式起重機(jī)，工況配置為主臂72m，傾角85°，副臂36m，吊裝半徑30m，超起配重400t；Demag CC8800(1 250t) 履帶式起重機(jī)，工況配置為主臂66m，傾角85°，副臂36m，吊裝半徑26m，超起配重340t；Demag CC6800(1 250t) 履帶式起重機(jī)，工況配置為主臂66m，傾角85°，副臂30m，吊裝半徑24m，超起配重450t。

2)穿心式千斤頂 每輛履帶式起重機(jī)配置4臺Enerpac HSL20006(2 000kN)穿心式千斤頂，共12臺。吊索12束，每束包含19根直徑15.7mm鋼絲，單束承載力2 000kN。

3)SPMT模塊車 壓環(huán)從拼裝轉(zhuǎn)場地到起吊點(diǎn)的運(yùn)輸，采用自行式模塊車(SPMT)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。先后采用2套(4個)16軸SPMT，單軸承載力400kN，SPMT轉(zhuǎn)運(yùn)壓環(huán)如圖5所示。

圖5 SPMT轉(zhuǎn)運(yùn)壓環(huán)

4 安裝工藝及技術(shù)要求

4.1 安裝工藝流程

壓環(huán)從立拼胎架拼裝焊接完成后轉(zhuǎn)運(yùn)出列，到安裝卸載松鉤工藝流程：拼裝焊接→焊后測量→SPMT轉(zhuǎn)運(yùn)出列→V柱調(diào)口→構(gòu)件吊裝→抗風(fēng)板臨時固定→比對修口→測量定位→臨時馬板固定→微調(diào)接口錯邊→焊前馬板固定→報檢焊接→焊縫探傷→卸載松鉤。壓環(huán)吊裝高空對接如圖6所示。

圖6 壓環(huán)吊裝高空對接

4.2 安裝方案及吊裝驗(yàn)算

1)起吊準(zhǔn)備過程 ①測量放置起重機(jī)中心點(diǎn)及壓環(huán)起吊重心點(diǎn)，跑車到位；②連接千斤頂與液壓動力裝置(HPU)油管，調(diào)節(jié)吊索長度到初始狀態(tài)繩長；③輕型移動起重機(jī)、登高車配合進(jìn)行綁鉤；④綁鉤結(jié)束，預(yù)張拉微調(diào)繩長，使各吊索受力緊繃；⑤壓環(huán)起吊范圍設(shè)置警戒線，起鉤脫離SPMT車。吊車占位及吊索布置如圖7所示。

圖7 吊索布置

2)空中調(diào)平過程 在Tekla模型中查找重心，通過放樣得到姿態(tài)調(diào)整過程5種狀態(tài)下的繩長。以CR3A4A繩長調(diào)整為例，初始繩長、最終繩長及調(diào)節(jié)值如表2，3所示。繩長調(diào)整過程5種狀態(tài)為：①階段0 初始狀態(tài)繩長，構(gòu)件未脫離SPMT車，即綁鉤繩長；②階段1 脫離SPMT車，固定1號繩長，調(diào)節(jié)2～4號繩長；③階段2 固定1號繩長，繼續(xù)調(diào)節(jié)2～4號繩長；④階段3 固定1，2號繩長，調(diào)節(jié)3，4號繩長；⑤階段4 固定1，2號繩長，繼續(xù)調(diào)節(jié)3，4號繩長，使構(gòu)件狀態(tài)達(dá)到最終調(diào)平狀態(tài)，提升安裝。

表2 階段 1 繩長調(diào)節(jié)值 mm

表3 階段 4 繩長調(diào)節(jié)值 mm

3)對接安裝過程 高空對接后，設(shè)抗風(fēng)板臨時固定，防止壓環(huán)高空擺動。調(diào)整車臂，千斤頂微調(diào)繩長進(jìn)行接口比對校正，打磨修口完成后，測量下落定位，采用馬板臨時固定。柱接口一側(cè)臨時固定，另一側(cè)按內(nèi)弦口、外弦口、中弦口順序依次調(diào)整錯邊馬板固定，再打開臨時固定一側(cè)調(diào)整錯邊，用馬板固定；管對管接口按內(nèi)上弦1.6m大口徑管錯邊調(diào)節(jié)優(yōu)先，其次調(diào)節(jié)外弦管口。

4)吊裝驗(yàn)算分析 ①材料屬性 鋼材等級S355，彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度325MPa；吊索彈性模量1.95×105MPa，截面面積2 850mm2；鋼絲繩彈性模量1.1×105MPa，截面面積6 132 mm2?？紤]吊裝過程動力系數(shù)1.2，壓環(huán)自重D。 ②荷載組合 變形驗(yàn)算1.2D，強(qiáng)度驗(yàn)算1.2D×1.4=1.68D,采用SAP2000-V19建模分析吊裝過程各階段桿件及吊索受力狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 受力分析模型

定義邊界條件，施加荷載。經(jīng)計算分析，單根吊索最大受力為1 433kN<2 000kN，桿件最大應(yīng)力為195MPa，吊裝最大變形為10.8mm，應(yīng)力和變形值滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

4.3 焊接技術(shù)要求

現(xiàn)場焊接是安裝的重要組成部分，焊接質(zhì)量影響到整個工程的安全。壓環(huán)各段之間的連接采用高空組對焊接，操作空間狹窄，焊接質(zhì)量要求高，焊接難度大。

1)焊接要求 與柱對接內(nèi)弦接口加40mm厚過渡板，要求錯邊值≤14mm，間隙≤30mm，修口過程間隙≤25mm。外弦及中弦接口不加過渡板，要求錯邊值≤3mm，間隙≤40mm，修口過程間隙≤30mm。錯邊值局部(20%范圍)在3～5mm，采用1∶8～1∶10坡度過渡焊接。如不滿足以上要求，加過渡板錯邊值≤10mm。

2)管對管接口要求 錯邊值≤3mm，間隙≤30mm。安裝過程優(yōu)先保證內(nèi)上弦直徑1.6m管口對位準(zhǔn)確。如不滿足要求采取斷管或加過渡板處理。

3)焊接順序 遵循先焊截面較大、受力較大的桿件，先豎向焊縫后水平焊縫，從中間到兩邊對稱焊接。先焊接與柱內(nèi)弦對接口和管內(nèi)上弦接口，要求2名焊工同時對稱焊接，如圖9所示。

圖9 焊口焊接順序

4.4 安裝測量控制

壓環(huán)在立拼胎架上拼裝焊接完成后，檢查焊后索孔及管口中心點(diǎn)坐標(biāo)值，允許偏差±10mm，測量監(jiān)控點(diǎn)如圖10所示。壓環(huán)吊裝前，需復(fù)核V柱端口中心點(diǎn)坐標(biāo)，確保端口位置調(diào)整至滿足壓環(huán)安裝位形要求。安裝對接過程中，進(jìn)行實(shí)時測量調(diào)整，保證內(nèi)弦索孔坐標(biāo)位置準(zhǔn)確，允許綜合偏差±20mm， 確認(rèn)無誤后方可定位馬板固定，所有報驗(yàn)通過后方可焊接。焊接完成后，復(fù)核內(nèi)弦索孔中心坐標(biāo)是否滿足設(shè)計要求，合格后用起重機(jī)卸載。卸載過程中，實(shí)時監(jiān)測索孔及管口位置相對設(shè)計值偏移情況。

圖10 測量監(jiān)控點(diǎn)示意

5 卸載松鉤

與柱對接內(nèi)外弦接口，管與管內(nèi)外弦接口及內(nèi)外斜撐相貫口焊接完畢，探傷合格后即可卸載。卸載過程應(yīng)分步進(jìn)行，實(shí)時測量(未卸載→卸載5%→卸載50%→卸載80%→卸載100%)索孔及支撐架坐標(biāo)，做好記錄并與理論值對比。卸載完成后，2臺履帶式起重機(jī)配合摘鉤。

6 結(jié)語

本文以卡塔爾盧賽爾體育場主體鋼結(jié)構(gòu)壓環(huán)的安裝施工過程為依托，介紹了大節(jié)段鋼構(gòu)件分段吊裝、空中測量定位、高空對接合龍施工工藝，詳細(xì)分析了項(xiàng)目的重難點(diǎn)，對壓環(huán)的安裝過程做了詳盡介紹，為今后類似大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在中東地區(qū)的安裝施工提供參考。