来源:建筑钢结构网 作者: 时间:2009-12-22
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黄明鑫 刘子祥 戴为志 林观志 俞荣华 刘中华
摘要：本文从国家体育场钢结构工程的整个实施过程，介绍了该工程的特点和难点，着重介绍了国家体育场的钢结构弯扭构件、柱脚、桁架的加工和主结构、次结构安装的关键技术，简要介绍了十大焊接技术的应用，这些技术代表着目前国内在相关领域的领先水平，对我国的钢结构工程师具有很好的学习意义。
关键词：国家体育场 钢结构 弯扭构件 加工 安装
1 国家体育场钢结构工程概况
1．1 工程简介
国家体育场位于北京市成府路南侧，奥林匹克公园中心区内，是北京2008年奥运会的主体育场。工程建筑面积为25.8万平方米，占地20.4公顷，建筑顶面呈马鞍形。
屋盖主结构由24榀高12m的平面主桁架围绕体育场内部碗状看台区旋转而成，主桁架上弦位于建筑曲面之上，围绕屋盖中间的开口呈放射形布置，支撑在体育场外侧周边的24根巨型桁架柱上，屋盖次结构由一根根相互交错且位于主结构上弦平面内的箱形构件组成，“任意”布置的顶面及立面次结构与主结构一起形成了"鸟巢"的特殊建筑造型。巨型桁架柱由菱形内柱与箱形外柱及位于内外柱平面内的箱形腹杆组成，为了保证桁架外柱在由立面向顶面过渡部位的顺滑，外柱在肩部全部做成了弯扭构件，腹杆主要连接于外柱与立面次结构的交点。
钢结构屋盖上弦采用膜结构作为屋面围护结构，选用透明的ETFE膜材料，屋盖下弦的声学吊顶采用白色PTFE膜材料。主场看台部分采用钢筋混凝土框架－剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。
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1．2 设计参数
建筑长轴（南北向）332.3m，短轴(东西向)为297.3m，南北跨度方向最高点为69.9m，东西最低高度40.1m。屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。设计用钢量约为4.8万吨，设计使用年限100年。
主桁架尽可能直通，并在中部形成由分段直线构成的内环。4榀主桁架在内环附近截断，避免了过于复杂节点的出现。用分段直线代替主桁架空间弯扭曲线弦杆，减小构件的加工难度。将腹杆倾斜角度控制在60°左右，网格大小尽量均匀，上、下弦节点对齐，具有较好的对称性。
2 工程特点与难点
2．1 规模大、尺度大
钢结构屋盖由主结构与次结构组成，屋顶主结构均为箱型截面，上弦杆截面基本为1000mm×1000mm，下弦杆截面基本为800mm×800mm，腹杆截面基本为600mm×600mm，腹杆与上下弦杆相贯，桁架高度为12.000m。支撑主桁架的24根组合钢柱（桁架柱）分别由两根1200mm×1200mm的弯扭箱型外柱和一根菱形内柱组成，荷载通过它们传递至基础。立面次结构截面基本为1200mm×1000mm，顶面次结构截面基本为1000mm×1000mm。
2．2 结构形式复杂
国家体育场屋盖建筑外表面的几何形状是由一个椭圆柱在一个圆环内侧切割出来形成的，立面则由一根与地面成75度左右夹角的一根直线沿着椭圆形曲面的边缘旋转形成，在顶面与立面之间通过半径固定的圆弧过渡，从而形成整个鸟巢外表面。由于建筑要求结构构件外表面位于建筑曲面上，因此，整个结构中存在大量的弯扭构件。同时，由于鸟巢建筑外形无序编织的“凌乱”性，构件相交形成的节点形式十分复杂，在同一结构中每一个节点均不相同。
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2．3 主次结构安装不同步
为尽量降低工程量，次结构设计为单梁形式，在主结构自重变形完成后安装（保证次结构在主结构变形时不受力）。由于该结构为空间曲面三维体，当主结构安装完成卸载后，主结构上与次结构连接的牛腿管口位置将发生较大变化（最大达400mm），这将给后期次结构的安装带来极大的困难。
2．4 构件复杂
该结构构件极为复杂，桁架柱柱脚外形尺度十分巨大（长、宽、高约4×5×6），板件厚（最厚达110mm）,最大单件重达160多吨；外柱沿高度方向不断扭转，外柱与腹杆节点的形状十分不规则，最重的一根桁架柱重达700多吨；桁架柱肩部构件全部为弯扭构件，且弯扭幅度很大，当构件在此部位相交时，构件的翼缘板在两个方向均为曲面；顶面主桁架由于在内环附近相交的夹角很小，连接的腹杆较多，内部空间十分狭小。
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2．5 材料种类多、钢板厚
整个结构最大限度地利用了不同材料的特性，合理使用材料。该项目中选用钢材有Q235B、Q345B、Q345C、Q345D、Q345GJC-Z、Q345GJD-Z、Q460E-Z等7种，还有一种铸钢件GS-20Mn5，这使工厂加工制作及材料管理的要求很高，同时大量不同材料间的焊接也为多种焊材的使用提出了更高要求。
钢板厚度从10～110mm不等，棱形柱底部和顶部少量为90~110mm，其余为50~80mm；方形斜柱板厚绝大多数为30、25、20mm。桁架板厚个别段为50mm外，其余均在40mm以下，大多数为30、25、20mm。腹杆板厚有20、14、10mm，多数为10mm。次结构板厚最大36mm，绝大部分为20mm以下。
3 加工关键技术
3．1 深化设计
弯扭构件实体模型的建立是该项目详图设计的关键之关键，通过在AutoCAD平台上自行开发的程序很好的解决了这个问题，不但建模精度高，而且建模效率得以大大提高。
3．2 弯扭构件制作技术
外柱弯扭构件箱型截面较大（1200×1200mm），板较厚（最厚达60mm），焊缝均为全熔透焊缝，焊接量大，变形难以控制。次结构弯扭构件箱型截面由800mm~1200mm，板较薄（最薄为10mm）。由于板较薄，劲板数量多，节点处杆件相互贯穿，焊接空间较小。焊接变形较大，并且难以校正；空间定位困难，构件测量较难。
实际工程中开发的无模多点成型技术很好地解决了弯扭构件的制作。
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3．3 巨型柱脚制作技术
巨型柱脚结构复杂，有箱型截面、斜T型截面，还有多边形截面，箱体节点内部横、纵向隔板较多，其外形尺寸为5384×4755×6250，重达162 t，柱脚节点若整体组装，无法满足运输条件，因此将柱脚分段，并进行预拼装。
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3．4 巨型桁架柱制作技术
“鸟巢”菱形内柱属于组合钢柱的一部分，截面为菱形状，菱形内柱和外柱之间有许多腹杆，特别是菱形内柱下柱顶节点处，杆件交汇数量非常集中，有10余根腹杆相交，钢板厚度大，制作难度高。制作中分为牛腿的预拼装和桁架柱的拼装两个关键过程。
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4 “ 十”大焊接技术的运用
“鸟巢”工程独特的全焊接重型钢结构高空大跨度马鞍型设计造型，结构十分复杂，应力应变状态难以控制。钢结构工程总用钢量约4.8万吨，共涉及7种钢材：Q235B、Q345C、Q345D、Q345GJC、Q345GJD、Q460E、GS-20Mn5V。焊接贯穿整个工程，是工程的主要施工难关之一，是决定结构安全运营的主导工序。
主、次结构现场安装焊缝大多为受力焊缝，根据设计要求均为一级全熔透焊缝，施工难度大，质量要求高。钢结构安装工程采用的焊接技术有SMAW、GSMAW、FCAW-G(H、F、V)；部分采用了GMAW-A(实芯CO2气体全自动焊)，FCAW-GA(药芯CO2气体全自动焊)。
为了确保国家体育场焊接工程的成功，采用了以下“十”大焊接技术：
⑴控制应力应变焊接技术
⑵厚板高强钢（厚板、Q460高强钢）焊接技术
⑶CO2气体高能密度保护焊接技术
⑷大规模采用仰焊技术
⑸低温焊接技术
⑹抗层状撕裂焊接技术
⑺异种钢焊接技术
⑻远红外预热焊接技术
⑼自动焊接技术
⑽宽间隙焊接处理技术
5 钢结构安装关键技术
5．1 主结构吊装方案
主结构由24榀主桁架和24根桁架柱组成，共划分为230个安装单元，其中：主桁架共分为182段（平面桁架共166段，立体桁架共16段），最大吊装重量约216 t，吊装长度最大约45m；桁架柱共分48段，最大吊装重量约288 t。
采用两台履带吊，外圈800吨吊机吊装86个主桁架安装单元和48个桁架柱安装单元；内圈600吨吊机吊装96个主桁架安装单元。其中桁架柱吊装I区为一台LR1800型，工况配置为：主臂56米，仰角88°，副臂35米，超起配重350 t 。II区为一台CC4800型，工况配置为：主臂54米，仰角88°，副臂42米，超起配重260 t 。600t履带吊均为CC2800型，工况配置为：主臂60米，仰角88°，副臂36米，超起配重250 t 。
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5．2 次结构吊装方案
次结构全面分布在建筑的外圈、内圈、顶面和肩部。顶面及肩部次结构的吊装，每个施工区域选用1台CC2000型300t履带吊和1台SC1500型150t履带吊进行。其中300t履带吊布置在外环，负责肩部次结构、外圈及部分中圈顶面次结构的安装，150t履带吊布置在内环，负责内圈及部分中间顶面次结构的安装，所选吊机的具体性能参数分别如下：
CC2000型300t履带吊工况配置：主臂66米，仰角88°，副臂54米
SC1500型150t履带吊工况配置主臂56.4米，仰角80°，副臂36.6米
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5．3 钢结构支撑塔架卸载技术
卸载是钢结构施工的重要环节，即在钢结构完成合拢形成整体结构后，卸除钢结构在施工过程中所赖以承托的临时支撑，而使钢结构自主支撑受力。
“鸟巢”卸载点分布广，在内圈、中圈、外圈78个卸载点中，单点最小支撑力为100吨，最大的为300吨，其余的为200吨左右。78个支撑点需要等比整体卸载，划分为十个区域，每个区域配一个控制器，每个卸载点配备2台液压千斤顶，内圈每个卸载点配备一台油泵，外圈和中圈每个油泵控制2个卸载点，按七大步进行卸载，每一大步又分为五小步进行，共计三十五小步。五小步骤实施的位置按顺序依次是：外圈、中圈、内圈、中圈、内圈。每一小步骤内，要经历3个准确无误的工艺环节：第一环节，升起千斤顶，使它与“垫块”一起支撑鸟巢（垫块是指钢柱与鸟巢之间可以活动的块状钢铁，每一根钢柱的顶端都有50毫米厚的数块垫块）；第二环节，撤去钢柱顶端的第一层垫块，这个区域的受力完全由千斤顶支撑；第三环节，千斤顶缓慢下降，一直降到第二层垫块的高度，此时这个区域的受力再次由钢柱与千斤顶共同承担。就这样，千斤顶与钢柱交替受力，交替下降，在上述5个位置上重复后，5小步骤再循环往复7次，也就是7大步骤，直至卸载完成。之所以如此细致分步进行，是为了卸掉临时支撑，在给“鸟巢”钢结构加载过程中让鸟巢均匀、渐进地自主受力。
“鸟巢”的巨大屋顶钢结构在卸载后会由于自重的原因而产生一定的下降位移 ，对于位移的数值有一个经设计计算得出的理论值，但实际的位移量由于种种原因不可能与理论值完全符合，这是卸载工作的难点之一。2006年9月17日所进行的最后一次卸载设计理论计算值为286mm，实时监控值为276mm，与理论计算值基本吻合，卸载非常成功。
卸载关键技术包括计算机仿真模拟技术、计算机同步控制技术和结构安全检测技术。
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6 结语
国家体育场“鸟巢“工程是对整个钢结构行业的各个方面产生重要影响的工程，该工程中的加工和安装关键技术的成功应用，达到提高了我国的钢结构相关领域的技术水平，也为我国培养了一大批钢结构行业的技术人才。长江精工钢结构集团股份有限公司参与了国家体育场钢结构工程的深化设计、加工和安装的任务，公司投入了大量的专家和技术骨干来攻克该工程中各个环节的各个难关，本文只不过是对他们的工作成果进行了总结，在此对他们的工作表示感谢。
参考文献
[1] 国家体育场施工组织设计文件，2005
[2] 国家体育场钢结构设计文件，2005
