2022世界杯主场馆主体钢结构吊装施工技术*

马高峰

(中国铁建国际集团有限公司，北京 100039)

1 工程概况

卡塔尔卢赛尔体育场项目坐落于热带沙漠气候的卡塔尔-多哈市卢赛尔区，作为2022年世界杯主体育场，备受卡塔尔当地业主和国际足联(FIFA)关注。项目东西高，南北低，直径约309m，最高处距地面约76m，建筑面积近19万m2，容纳观众9.2万余人,如图1所示。

图1 卢赛尔体育场示意

2 钢结构工程特点及难点

1)外观为曲线造型 本项目的外部主体结构为钢结构，24个矩形混凝土结构柱通过球形支座支撑48榀V形桁架柱(简称V柱)，V柱上方为24榀桁架组成闭合的主桁架压环，形成整体的外部钢结构, 主体结构剖面如图2所示。该体育场的外部设计造型来源于阿拉伯传统手工业打造的碗状器皿，上部呈马鞍形，为了更好地突显体育场的建筑外观造型，不但整个压环为不规则构件，支撑压环的V柱也均为弯曲构件，这一特点决定了钢结构构件吊装的复杂性和安装技术的高要求。

2)钢结构构件吊装分段大，质量重，形状不规则 V柱钢构件采用卧拼工艺，单体最长达51.5m，宽15.4m，重约130t，呈香蕉状。为了减小变形，脱胎吊装时V柱的最终就位形态在三维空间中呈弯扭状，形态较为复杂，需考虑大型桁架脱胎起扳工艺。同时，压环在胎架上的位形与安装时不同，拼装完成后，需要在空中完成位形调整。

3)构件安装对接精度高 单榀压环平均高13m，宽17m，长46m，最大质量450t，要求管口错边≤3mm，管口对接间隙≤20mm。压环之间在70m高空精准对接难度大。主体钢结构通过24个球形支座连接成一个整体，球形支座的内部管状结构对钢结构的稳定性至关重要，V柱和球形支座连接安装过程中，要确保球形支座的安全。在V柱柱脚与球形支座顶板接触时，要保证柱脚底板的水平度，以免柱脚底板与支座顶板不均匀接触造成应力集中，对支座造成破坏，同时也提高了对吊装精度的要求。

3 钢结构吊装

3.1 吊装工况

卢赛尔体育场V柱拼装过程中，将一对V柱分为2种工况： ①带柱脚V柱，即柱脚与V柱拼装在一起吊装，在柱脚与球形支座顶板接触时，要保证柱脚底板的水平度，以免柱脚底板与支座顶板不均匀接触造成应力集中，对支座造成破坏； ②不带柱脚V柱，即V柱不与柱脚拼装，在起吊后与柱脚在高空对位焊接(见图3)。

图3 V柱连接方式

3.2 起重机及吊索具

采用恩派克(Enerpac)HSL20006型千斤顶，允许使用最大拉力为2 000kN，试验荷载拉力为2 500kN，完全满足构件的吊装使用要求。穿心式千斤顶通过计算机软件，可实现自动和手动调节千斤顶钢绞线长度。穿心式千斤顶一个行程为480mm，最小调整精度可以达到1.7mm/s。

将4个穿心式千斤顶设于相应的4个反力架内，反力架上端通过钢丝绳与起重机主吊钩连接，钢绞线穿过千斤顶后从反力架的下端与构件的吊耳连接。通过计算机控制穿心式千斤顶泵站，调节千斤顶中液压油量，实现千斤顶对钢绞线的长度调节。每个穿心式千斤顶可以进行双向操作，即向上提升或向下放置，通过4个穿心式千斤顶同步协调工作，从而实现对钢构件位形的精确调整。

异形钢构件最大吊装质量约为185t，经综合分析，采用Terex Demag CC2800型600t履带式起重机，主臂84m，工作半径30m，超起转动半径15m，超起配重300t，可实现218t重物的吊装，异形钢构件最大吊装使用效率为84%，未超过安全吊装范围。穿心式千斤顶吊索具布置如图4所示。

图4 穿心式千斤顶吊索具布置

3.3 吊装工艺原理

3.3.1位形转变节点确定

已知起始位形(地面拼装位形)和最终就位位形，判断中间应有起扳、翻转、柱脚底板找平3个阶段。以此分析确定了构件吊装的5个位形转变节点，即平躺、起扳、翻转、支座底板找平、最终就位前整体位形的微调。

3.3.2重心确定

通过Tekla软件对构件建模，输入所有构件信息，软件可自动分析出构件的重心位置。

3.3.3吊点位置确定

吊点位置一般依据构件的重心位置和几何尺寸确定，优先选择位于构件重心点两侧且对称的位置。对于异形构件，考虑到构件的强度，吊点应尽量布置在节点的位置上。吊点位置初步选定好后，根据5个位形转变节点，选择适当的吊索具角度，一般要求吊索具与水平面的夹角为45°～60°。依据构件重心位置和吊索具角度计算吊索具长度。在任何情况下，构件重心与吊钩点都会旋转至重心线上。

初步选定吊点位置和吊索具长度后，依据起吊过程中的受力情况，对构件的强度进行验算。

在整个吊装翻身过程中，构件应变必须保持在弹性变形范围内，不得产生塑性变形。若验算不能通过，则需适当调整吊点位置、增加吊点数量和调整吊索具长度，再次试算，直至验算通过。最终确定布置4个吊点，配置4套穿心式千斤顶吊索具。

3.3.4吊耳设计

依据确定的吊点位置和各个位形转变节点吊索具受力情况，对吊耳安装角度及相应强度进行设计，确保钢构件在翻身过程中满足吊装要求。

3.3.5起重机行走路线及位置确认

V柱在地面拼装的重心线和安装重心线的连线，即为起重机带荷载行驶路线。起重机吊钩位于V柱在地面重心线的正上方，根据起重机主吊臂旋转半径与行驶路线交叉点的中心，确定起重机起吊位置。

3.4 吊装操作要点

3.4.1吊装流程

构件拼装形成待吊单元→绑钩后对吊绳进行加载→构件脱离胎架→构件起扳翻身，达到在空中安装后的位形角度→起重机带荷载行走至吊装位置→吊装就位后进行装配、打螺栓报验→起重机脱钩→准备下一个吊装单元。

3.4.2吊装前准备

构件脱离拼装胎架前，要仔细检查胎架和构件之间的焊接卡板是否完全与构件脱离，以及构件拼装的脚手架是否还有杆件连接到吊装构件上。构件与非吊装附属设施完全脱离后，方可开始吊装。

3.4.3构件空中翻身与吊装就位

根据5个位形转变节点的吊索具长度，通过计算机控制调整穿心式千斤顶钢绞线的长度，使构件在空中实现翻身、位形调节。具体5个位形转变节点的操作要点如下。

1)平躺阶段 通过轻微收缩穿心式千斤顶钢绞线长度，达到预受力状态。缓慢提升起重机主绳索，使构件脱离拼装胎架，再将构件提升离地面1m高，静置30min，确保内力均匀分布。

2)起扳阶段 通过调整起重机主吊绳，将构件抬高，同时开始调整4组钢绞线的长度，使构件开始倾斜。过程中需保持4组千斤顶都处在受力状态，并且控制索力不超过理论值的15%。同时注意控制构件距离地面的高度，避免构件翻身过程中柱脚触地。

3)翻转阶段 继续调整4组钢绞线的长度，使构件开始翻转，操作要点同起扳阶段，同时注意控制调整速度，时刻监控外部风速，使构件重心稳定。

4)支座底板找平阶段 继续调整4组钢绞线的长度，使柱脚底板调平，通过水平尺确认。柱脚板调平后，需要调节起重机超起量，使其离开地面约20cm，然后起重机带荷载旋转，并移动一段距离，使构件到达安装位置。

5)就位前位形微调阶段 最终就位前，通过微调4组钢绞线的长度，对构件整体位形进行微调，最终精确就位。吊装完成效果如图5所示。

图5 精确就位

4 结语

钢结构建筑由于其强度高、自重轻，低碳、环保节能，材质均匀、安全可靠，抗震性能好等优点在体育场馆项目中得到越来越多的应用。在卢赛尔体育场钢结构工程的实际施工中，根据钢构件均为曲线、质量大、精度高的特点，采用双向穿心式千斤顶、构件空中翻身单机起扳吊装技术，操作空间小，机动灵活，对其他作业面干扰少，同时确保了操作的安全性和安装的精确性，提高了体育场钢结构的施工质量。