2022世界杯主場館大型鋼構件吊裝高空對接技術*

何小波，張 健，李文德

(中國鐵建國際集團有限公司，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。觀眾總容量約92 100人，建筑面積約19萬m2，屋面投影直徑309m。采用獨立基礎+筏板，看臺結構體系由框架-剪力墻+鋼桁架結構組成，外立面結構由主體鋼結構和屋面索膜結構組成。主體鋼結構由24段壓環、48榀V形柱(簡稱V柱)及V柱間幕墻填充桁架組成。盧賽爾體育場壓環結構如圖1所示。

圖1 盧賽爾體育場壓環結構示意

2 工程特點與難點

1)體型大，質量重

壓環整體為空間鋼管結構，總質量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。單段壓環最大質量425t，最小質量312t，起吊安裝難度大。壓環分段接頭類型如圖2所示。

圖2 壓環分段接頭類型

2)桿件多，焊縫多，工作量大

每段壓環包含200多根桿件，300多道焊縫，交叉節點多，工作量大。存在大量相貫焊縫，焊口復雜，高空作業，施工難度大。桿件截面參數類型多，截面參數如表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

3)結構形式復雜

壓環結構形式復雜，其中包含設備平臺、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，需搭設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)次結構安裝困難

主次結構安裝不同步，部分次結構需在壓環整體吊裝完畢，支撐塔架卸載完成后再進行安裝，由于卸載后產生的變形使次結構安裝邊界條件發生改變，但次結構是按卸載前的邊界條件進行加工和拼裝的，導致后期安裝對口和精度控制難度增大。

3 場地布置及設備選用

3.1 場地布置

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

圖3 場地布置

壓環拼裝順序為：立拼胎架1布置在Z5-Z1-Z3區拼裝場地，立拼胎架2布置在Z6-Z2-Z4區拼裝場地，立拼胎架3布置在Z7-Z8區拼裝場地。龍頭段分別設置在Z5,Z1,Z7,Z3區，對應壓環段為CR3A4A，CR15A16A，CR21A22A，CR9A10A；龍尾設置在Z6,Z2,Z8,Z4區，對應壓環段為CR22A23A，CR10A11A，CR16A17A，CR4A5A。吊裝順序為：Z5-Z6；Z1-Z2；Z7-Z8；Z3-Z4區，4個龍尾段最后合龍，吊裝順序如圖4所示。

3.2 設備選用

1)起重機 壓環施工工期為6個月，吊裝任務重，工期緊。在滿足施工質量和施工安全的前提下，為保障工期，在具備吊裝條件后，先后進場3臺大型履帶式起重機參與壓環吊裝。分別選取Demag CC8800-1(1 650t) 履帶式起重機，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，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，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 壓環從拼裝轉場地到起吊點的運輸，采用自行式模塊車(SPMT)進行轉運。先后采用2套(4個)16軸SPMT，單軸承載力400kN，SPMT轉運壓環如圖5所示。

圖5 SPMT轉運壓環

4 安裝工藝及技術要求

4.1 安裝工藝流程

壓環從立拼胎架拼裝焊接完成后轉運出列，到安裝卸載松鉤工藝流程：拼裝焊接→焊后測量→SPMT轉運出列→V柱調口→構件吊裝→抗風板臨時固定→比對修口→測量定位→臨時馬板固定→微調接口錯邊→焊前馬板固定→報檢焊接→焊縫探傷→卸載松鉤。壓環吊裝高空對接如圖6所示。

圖6 壓環吊裝高空對接

4.2 安裝方案及吊裝驗算

1)起吊準備過程 ①測量放置起重機中心點及壓環起吊重心點，跑車到位；②連接千斤頂與液壓動力裝置(HPU)油管，調節吊索長度到初始狀態繩長；③輕型移動起重機、登高車配合進行綁鉤；④綁鉤結束，預張拉微調繩長，使各吊索受力緊繃；⑤壓環起吊范圍設置警戒線，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)空中調平過程 在Tekla模型中查找重心，通過放樣得到姿態調整過程5種狀態下的繩長。以CR3A4A繩長調整為例，初始繩長、最終繩長及調節值如表2，3所示。繩長調整過程5種狀態為：①階段0 初始狀態繩長，構件未脫離SPMT車，即綁鉤繩長；②階段1 脫離SPMT車，固定1號繩長，調節2～4號繩長；③階段2 固定1號繩長，繼續調節2～4號繩長；④階段3 固定1，2號繩長，調節3，4號繩長；⑤階段4 固定1，2號繩長，繼續調節3，4號繩長，使構件狀態達到最終調平狀態，提升安裝。

表2 階段 1 繩長調節值 mm

表3 階段 4 繩長調節值 mm

3)對接安裝過程 高空對接后，設抗風板臨時固定，防止壓環高空擺動。調整車臂，千斤頂微調繩長進行接口比對校正，打磨修口完成后，測量下落定位，采用馬板臨時固定。柱接口一側臨時固定，另一側按內弦口、外弦口、中弦口順序依次調整錯邊馬板固定，再打開臨時固定一側調整錯邊，用馬板固定；管對管接口按內上弦1.6m大口徑管錯邊調節優先，其次調節外弦管口。

4)吊裝驗算分析 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。考慮吊裝過程動力系數1.2，壓環自重D。 ②荷載組合 變形驗算1.2D，強度驗算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，如圖8所示。

圖8 受力分析模型

定義邊界條件，施加荷載。經計算分析，單根吊索最大受力為1 433kN<2 000kN，桿件最大應力為195MPa，吊裝最大變形為10.8mm，應力和變形值滿足結構設計要求。

4.3 焊接技術要求

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

1)焊接要求 與柱對接內弦接口加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。安裝過程優先保證內上弦直徑1.6m管口對位準確。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。先焊接與柱內弦對接口和管內上弦接口，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坐標值，允許偏差±10mm，測量監控點如圖10所示。壓環吊裝前，需復核V柱端口中心點坐標，確保端口位置調整至滿足壓環安裝位形要求。安裝對接過程中，進行實時測量調整，保證內弦索孔坐標位置準確，允許綜合偏差±20mm， 確認無誤后方可定位馬板固定，所有報驗通過后方可焊接。焊接完成后，復核內弦索孔中心坐標是否滿足設計要求，合格后用起重機卸載。卸載過程中，實時監測索孔及管口位置相對設計值偏移情況。

圖10 測量監控點示意

5 卸載松鉤

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

6 結語

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