2022世界杯主場館主體鋼結構吊裝施工技術*

馬高峰

(中國鐵建國際集團有限公司，北京 100039)

1 工程概況

卡塔爾盧賽爾體育場項目坐落于熱帶沙漠氣候的卡塔爾-多哈市盧賽爾區，作為2022年世界杯主體育場，備受卡塔爾當地業主和國際足聯(FIFA)關注。項目東西高，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 盧賽爾體育場示意

2 鋼結構工程特點及難點

1)外觀為曲線造型 本項目的外部主體結構為鋼結構，24個矩形混凝土結構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，形成整體的外部鋼結構, 主體結構剖面如圖2所示。該體育場的外部設計造型來源于阿拉伯傳統手工業打造的碗狀器皿，上部呈馬鞍形，為了更好地突顯體育場的建筑外觀造型，不但整個壓環為不規則構件，支撐壓環的V柱也均為彎曲構件，這一特點決定了鋼結構構件吊裝的復雜性和安裝技術的高要求。

2)鋼結構構件吊裝分段大，質量重，形狀不規則 V柱鋼構件采用臥拼工藝，單體最長達51.5m，寬15.4m，重約130t，呈香蕉狀。為了減小變形，脫胎吊裝時V柱的最終就位形態在三維空間中呈彎扭狀，形態較為復雜，需考慮大型桁架脫胎起扳工藝。同時，壓環在胎架上的位形與安裝時不同，拼裝完成后，需要在空中完成位形調整。

3)構件安裝對接精度高 單榀壓環平均高13m，寬17m，長46m，最大質量450t，要求管口錯邊≤3mm，管口對接間隙≤20mm。壓環之間在70m高空精準對接難度大。主體鋼結構通過24個球形支座連接成一個整體，球形支座的內部管狀結構對鋼結構的穩定性至關重要，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，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力集中，對支座造成破壞，同時也提高了對吊裝精度的要求。

3 鋼結構吊裝

3.1 吊裝工況

盧賽爾體育場V柱拼裝過程中，將一對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，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力集中，對支座造成破壞； 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位焊接(見圖3)。

圖3 V柱連接方式

3.2 起重機及吊索具

采用恩派克(Enerpac)HSL20006型千斤頂，允許使用最大拉力為2 000kN，試驗荷載拉力為2 500kN，完全滿足構件的吊裝使用要求。穿心式千斤頂通過計算機軟件，可實現自動和手動調節千斤頂鋼絞線長度。穿心式千斤頂一個行程為480mm，最小調整精度可以達到1.7mm/s。

將4個穿心式千斤頂設于相應的4個反力架內，反力架上端通過鋼絲繩與起重機主吊鉤連接，鋼絞線穿過千斤頂后從反力架的下端與構件的吊耳連接。通過計算機控制穿心式千斤頂泵站，調節千斤頂中液壓油量，實現千斤頂對鋼絞線的長度調節。每個穿心式千斤頂可以進行雙向操作，即向上提升或向下放置，通過4個穿心式千斤頂同步協調工作，從而實現對鋼構件位形的精確調整。

異形鋼構件最大吊裝質量約為185t，經綜合分析，采用Terex Demag CC2800型600t履帶式起重機，主臂84m，工作半徑30m，超起轉動半徑15m，超起配重300t，可實現218t重物的吊裝，異形鋼構件最大吊裝使用效率為84%，未超過安全吊裝范圍。穿心式千斤頂吊索具布置如圖4所示。

圖4 穿心式千斤頂吊索具布置

3.3 吊裝工藝原理

3.3.1位形轉變節點確定

已知起始位形(地面拼裝位形)和最終就位位形，判斷中間應有起扳、翻轉、柱腳底板找平3個階段。以此分析確定了構件吊裝的5個位形轉變節點，即平躺、起扳、翻轉、支座底板找平、最終就位前整體位形的微調。

3.3.2重心確定

通過Tekla軟件對構件建模，輸入所有構件信息，軟件可自動分析出構件的重心位置。

3.3.3吊點位置確定

吊點位置一般依據構件的重心位置和幾何尺寸確定，優先選擇位于構件重心點兩側且對稱的位置。對于異形構件，考慮到構件的強度，吊點應盡量布置在節點的位置上。吊點位置初步選定好后，根據5個位形轉變節點，選擇適當的吊索具角度，一般要求吊索具與水平面的夾角為45°～60°。依據構件重心位置和吊索具角度計算吊索具長度。在任何情況下，構件重心與吊鉤點都會旋轉至重心線上。

初步選定吊點位置和吊索具長度后，依據起吊過程中的受力情況，對構件的強度進行驗算。

在整個吊裝翻身過程中，構件應變必須保持在彈性變形范圍內，不得產生塑性變形。若驗算不能通過，則需適當調整吊點位置、增加吊點數量和調整吊索具長度，再次試算，直至驗算通過。最終確定布置4個吊點，配置4套穿心式千斤頂吊索具。

3.3.4吊耳設計

依據確定的吊點位置和各個位形轉變節點吊索具受力情況，對吊耳安裝角度及相應強度進行設計，確保鋼構件在翻身過程中滿足吊裝要求。

3.3.5起重機行走路線及位置確認

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

3.4 吊裝操作要點

3.4.1吊裝流程

構件拼裝形成待吊單元→綁鉤后對吊繩進行加載→構件脫離胎架→構件起扳翻身，達到在空中安裝后的位形角度→起重機帶荷載行走至吊裝位置→吊裝就位后進行裝配、打螺栓報驗→起重機脫鉤→準備下一個吊裝單元。

3.4.2吊裝前準備

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

3.4.3構件空中翻身與吊裝就位

根據5個位形轉變節點的吊索具長度，通過計算機控制調整穿心式千斤頂鋼絞線的長度，使構件在空中實現翻身、位形調節。具體5個位形轉變節點的操作要點如下。

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

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

3)翻轉階段 繼續調整4組鋼絞線的長度，使構件開始翻轉，操作要點同起扳階段，同時注意控制調整速度，時刻監控外部風速，使構件重心穩定。

4)支座底板找平階段 繼續調整4組鋼絞線的長度，使柱腳底板調平，通過水平尺確認。柱腳板調平后，需要調節起重機超起量，使其離開地面約20cm，然后起重機帶荷載旋轉，并移動一段距離，使構件到達安裝位置。

5)就位前位形微調階段 最終就位前，通過微調4組鋼絞線的長度，對構件整體位形進行微調，最終精確就位。吊裝完成效果如圖5所示。

圖5 精確就位

4 結語

鋼結構建筑由于其強度高、自重輕，低碳、環保節能，材質均勻、安全可靠，抗震性能好等優點在體育場館項目中得到越來越多的應用。在盧賽爾體育場鋼結構工程的實際施工中，根據鋼構件均為曲線、質量大、精度高的特點，采用雙向穿心式千斤頂、構件空中翻身單機起扳吊裝技術，操作空間小，機動靈活，對其他作業面干擾少，同時確保了操作的安全性和安裝的精確性，提高了體育場鋼結構的施工質量。