国家体育场钢结构合拢施工技术研究

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国家体育场（鸟巢）作为2008年北京奥运会的主会场，其钢结构合拢施工技术是工程领域的重大突破之一。鸟巢的钢结构设计复杂，由24榀桁架柱和36榀主桁架梁组成，总用钢量达4.2万吨，跨度大、节点复杂，对施工精度要求极高。

为确保钢结构顺利合拢，项目团队采用了先进的计算机仿真技术和BIM技术进行模拟分析，优化了施工方案。施工过程中，采用了分段预制、地面拼装、整体提升的技术方法。通过将大型钢结构分解为若干小单元，在地面完成精确拼装后，利用液压提升设备将其整体提升至设计位置，有效减少了高空作业风险，提高了施工效率。

此外，针对钢结构热胀冷缩特性，施工团队创新性地引入了温度补偿技术，通过选择合适的时间窗口（如夜间低温时段）进行合拢作业，确保结构精度满足设计要求。同时，采用高精度测量仪器实时监测位移和变形，保障了结构的安全性和稳定性。

鸟巢钢结构合拢施工的成功，不仅体现了我国在超大型复杂钢结构施工领域的技术水平，还为后续类似工程提供了宝贵经验，具有重要的示范意义。

国家体育场钢结构工程由24根桁架柱与48主 桁架围绕着体育场内部碗状看台区旋转而成。钢结构 屋面呈双曲面马鞍型，最高点高度为68.5m，最低点高 度为40.1m；平面上呈椭圆形，长轴最大尺寸约332.3

国家体育场钢结构工程弯扭构件加工完成后，由 监理单位组织相关单位进行检查。检查结果表明，弯扭 构件的成形质量均满足上述要求

利用本文研究成果，国家体育场钢结构工程箱形 弯扭构件加工详图设计工作历时约五个月，出图约 6000张：弯扭构件制作工作历时约四个月，加工总量

m、短轴最大尺寸约297.3m；屋盖中部的内环开口呈 椭圆形，长轴约185.3m，短轴约为127.5m；桁架柱柱 距为38.0m。屋盖总覆盖面积约60000mf，钢结构设计 用钢约42000t。 48主桁架的上弦杆截面1200x1200~1000x1000 (mm），下弦杆截面1000x1200~800x800（mm），腹杆 截面基本为600x600（mm）.钢桁架矢高12.0m：24根

表2 弯扭构件外形尺寸的允许偏差

约12000t，很好保证了工程的整体进度。 实践表明，本文的研究成果成功的指导了国家体 育场工程箱形弯扭构件的制作施工。

本文在编写过程中得到路克宽等国内钢结构专家 的悉心指导，在此表示诚挚的谢意

本工程结构复杂，跨度较大，屋顶主桁架相互交 错，合拢线的选择比较困难。在确定合拢线时，不但要 考虑结构本身的受力和变形情况，同时还应考虑钢结 构的整体安装顺序和主桁架的安装分段情况，尽量减 少合拢点的数量，并确保施工过程的安全。同时顶面主 结构是由24拉通或基本拉通的门式桁架编织而成， 合拢断面的选择应尽量将24福门式刚架断开。经过反 复择优比选并通过设计复核，主桁架、立面结构及顶面 次结构的合拢线确定如下： （1）主桁架沿屋盖环向设置4条合拢线，主桁架 的合拢线充分利用钢结构的两条分区施工线，另增设 两条合拢线； (2）为保证整个结构的合拢，立面结构与顶面次 结构沿屋盖环向在与主体钢结构合拢断面相应的位置 设置4条合拢线； (3）安装时，合拢线处所有钢结构杆件均断开， 采用卡马临时搭接，保证合拢前所有合拢口能够自由 伸缩变形。 根据以上情况，主桁架共有96个合拢口，立面次结 构共有28个合拢口，主桁架下弦连系梁共有4个合拢 口，总计128个合拢口。合拢口位置具体见图1和图2。

由于合拢口数量众多，如一次合拢，则需投入大量 的人力和物力，且施工组织管理难度也特别大，根据现 场实际情况并结合设计提出“先行合拢构件需纳人后续 合拢线合拢温度要求范围”的原则，本工程的合拢顺序 为：先进行主桁架的合拢，再进行立面结构的合拢；主桁 架合拢时，先进行两大施工区域内部合拢线的合拢，再 进行两大施工分区间合拢线的合拢：立面次结构一次同

图2立面次结构合拢线示意

步合拢：同一合拢线的各合拢口同时、同步合拢。

合拢施工时，为了保证合拢时钢结构本体温度满 足要求，在整个钢结构布设了60个温度测点（图3 4)，对钢结构本体温度进行全程实时监测；同时，邀请 北京市专业气象台在现场设立临时天气预测站点，提 前对天气气温条件进行预测，以指导合拢时机的选择， 合拢施工时温度监测结果表明，在选定的操作时 间段内所有合拢施工均满足设计合拢温度要求。

由于本工程合拢口数量众多，且合拢段的安装随 着工程的总体安装进程在不同时间里进行，合拢段的 安装质量不仅影响结构安装过程中的安全，而且影响 最终的合拢和结构的总体施工质量及结构使用过程中 的安全，因此，必须采取合理的安装工艺措施，确保合 拢段与相关构件的安装及结构的顺利合拢。具体工艺 措施如下。 ：（1）为控制合拢时合拢口的间隙大小，减少合拢 口的焊接量和焊接残余应力，确保合拢口的焊接质量， 在进行合拢段的安装时，要尽量控制合拢段安装时合 拢口的间隙大小，该间隙大小要考虑温度变形计算结

图3主桁架上弦及立面次结构测温点

果和焊接收缩变形。 (2）为确保合拢段施工过程中的安全，合拢段安 装就位后，除设计要求的合拢口不进行焊接连接外，其 他接口部位均需及时焊接，以增强结构的整体稳定性。 (3）为确保合拢口在施工过程中因温度变化而 自由伸缩，合拢口采用卡马搭接连接，卡马的大小和数 量需根据该接口部位的受力计算确定。 分析温度监测结果，卡马设置要求为：合拢口上翼 缘设置3块卡马，其他边各设置两块卡马，为增加卡马 侧向稳定性，上翼缘两边卡马增设规格为100x100x10 （mm）的三角形劲板。除下翼缘的卡马焊接固定在已装 主桁架牛腿上外，其他卡马均焊接固定在合拢段端口 上（图5.6)。 （4）为确保安全，合拢段安装就位后，非合拢口 要及时进行焊接，待焊接完成2/3以上后吊机方可松 钩，同时，合拢口卡马需按要求设置好。松钩时，速度要 缓慢平稳，并注意观测合拢口的变化情况，如无异常， 可继续松钩。当合拢段跨中安装连接侧向构件时，也应 进行合拢口的观测。 (5）在整个安装过程中，要定时进行合拢口的跟 踪检查工作.一是检查卡马的连接焊缝和变形情况，确

高树栋某桥主桥悬臂段施工方案，等：国家体育场钢结构合拢施工技术研究

保卡马的安全：二是检查合拢口的间隙情况。

历经3个夜晚，顺利完成国家体育场钢结构工程 合拢工作。钢结构本体温度监测表明，整个合拢过程合 拢温度完全符合设计关于合拢温度的有关要求；合拢 焊缝自检探伤和第三方探伤结果表明，所有合拢口焊 缝质量满足设计关于焊缝质量的有关要求（图7)。

在合拢方案讨论过程中得到周文瑛、刘树屯、关忆 卢、刘子祥和戴为志等国内知名钢结构专家的大力支 持和帮助，在本文编写过程中得到国内知名钢结构专 家路克宽的悉心指导，在此表示诚挚的感谢。