武廣鐵路客運專線長沙南站鋼結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)

王世明,楊石杰,馬福憲,李寶河

(中鐵建工集團有限公司,北京 102448)

1 工程概況(圖1)

武廣鐵路客運專線長沙南站位于長沙市雨花區(qū),建筑面積 20萬 m2,包括站房和南北對稱分布的站臺雨棚三個區(qū)域,豎向分為高架候車層、站臺層、出站層三層。站房屋蓋為整體單曲局部雙曲屋面形式,水平投影面積 5.5萬 m2;站臺雨棚為單曲面形式,水平投影面積 4.9萬 m2。鋼結(jié)構(gòu)是長沙南站的主要結(jié)構(gòu)形式,包括站房屋蓋系統(tǒng)、站臺層以上鋼桁架樓面系統(tǒng)及站臺層以下勁性鋼結(jié)構(gòu)、站臺雨棚鋼結(jié)構(gòu)等,共計 3.8萬 t。構(gòu)件形式有:鋼柱(鋼管柱、樹狀柱)、鋼桁架、鋼網(wǎng)架、張弦梁、鋼梁、鋼梯等。本文僅對站臺層以上鋼結(jié)構(gòu)工程的施工技術(shù)進行介紹。

圖1 長沙南站鋼結(jié)構(gòu)工程整體模型效果圖

2 工程特點、難點

(1)長沙南站是“建橋合一”的大型高架站房,在工程施工過程中,受下部地鐵工程的影響,車站大橋不能按期完工。按照早期策劃,利用既有站臺層橋梁搭設(shè)作業(yè)棧道的方案指導(dǎo)施工,勢必影響到站房鋼結(jié)構(gòu)開工時間,以致影響到武廣全線的聯(lián)調(diào)聯(lián)試。為此鋼結(jié)構(gòu)工程的作業(yè)棧道需進行專項方案設(shè)計。

(2)長沙南站鋼結(jié)構(gòu)體量大,構(gòu)件種類繁多,工期緊張。站房鋼結(jié)構(gòu)主要分布于兩個層面,即屋蓋和屋蓋下方高架層樓面結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場情況,鋼結(jié)構(gòu)施工時站臺層結(jié)構(gòu)尚未完成,屋面結(jié)構(gòu)有兩種構(gòu)件(網(wǎng)架、張弦梁)組成,需要綜合考慮多方比較,確定實施方案。

(3)樹狀柱結(jié)構(gòu)是支撐主站房和站臺雨棚屋蓋系統(tǒng)的主承力結(jié)構(gòu),各桿件間均采用鑄鋼件連接,節(jié)點受力復(fù)雜,在使用荷載作用下能否實現(xiàn)荷載的安全傳遞,事關(guān)整個站房工程的結(jié)構(gòu)安全(圖2)。

圖2 樹狀柱結(jié)構(gòu)

3 方案確定

(1)作業(yè)棧道的設(shè)計基于在施橋梁工程因素及鋼結(jié)構(gòu)安裝的便利,確定采用跨橋搭設(shè)方案,在橋梁施工期間就介入鋼結(jié)構(gòu)的安裝,從而保證工期節(jié)點目標(biāo)的實現(xiàn)。

(2)站臺雨棚由樹狀柱和屋面縱橫鋼架組成,結(jié)構(gòu)相對簡單,所有構(gòu)件采用 2臺 50 t履帶吊地面吊裝,設(shè)臨時支撐,高空拼裝的方案。

(3)站房鋼結(jié)構(gòu)主要包括豎向鋼柱、高架層鋼桁架、高架夾層鋼梁、屋面鋼網(wǎng)架和張弦梁幾部分,而施工重點是站房高架層鋼桁架和屋蓋結(jié)構(gòu)(鋼網(wǎng)架、張弦梁)。通過對整體安裝法、高空滑移法、高空散拼法等幾種方案的比較,結(jié)合施工現(xiàn)場橋梁工程在施這一實際情況,確定采用高空單元拼裝方案。

(4)針對樹狀柱節(jié)點受力的復(fù)雜性,選取 3個鑄鋼節(jié)點進行足尺試驗,根據(jù)檢測數(shù)據(jù)分析評價其安全性。

4 跨橋棧道設(shè)計(圖3)

跨橋棧道通過格構(gòu)柱支撐路基箱形成,格構(gòu)柱立于橋梁兩側(cè),格構(gòu)柱基礎(chǔ)采用樁基、承臺形式,在出站層基礎(chǔ)與底板施工時同步完成?？鐦驐５赖恼w計算分析采用有限元分析與計算軟件 MIDAS/GEN V7.1.2完成,經(jīng)過對最不利的荷載工況進行分析,格構(gòu)柱支撐的位移、強度、剛度和穩(wěn)定性,路基板承受應(yīng)力和撓度均滿足要求。

圖3 跨橋棧道示意

5 站房高空單元拼裝方案的實施

5.1 設(shè)備選型

根據(jù)既定方案及現(xiàn)場施工情況,綜合考慮站房結(jié)構(gòu)特點、吊車作業(yè)半徑等因素,選用 2臺 SCX2500型250 t履帶吊車及 2臺 SC1500型 150 t履帶吊車進行站房鋼結(jié)構(gòu)的吊裝。2臺 250t吊車布置于中間棧道,150 t吊車分布于兩側(cè)棧道。

5.2 安裝單元的確定

根據(jù)鋼桁架構(gòu)件重采取分段、整榀確定單元;張弦梁每榀作為一個單元;屋面網(wǎng)架根據(jù)所選吊車的性能,結(jié)合支撐格構(gòu)柱的分布確定,共劃分為 122個單元,單元最重 35 t,設(shè)置支撐點 488處。支撐格構(gòu)柱坐落在網(wǎng)架下方的站臺層落客平臺及與已安裝完成的高架層鋼桁架上。

5.3 安裝工況

按照由西向東,豎向同步,橫向逐間推進的順序組織安裝,即由下到上完成一個區(qū)間內(nèi)所有鋼構(gòu)件以后再向前推進,直到全部鋼構(gòu)件安裝完成。

安裝工況如圖4所示。

圖4 站房鋼結(jié)構(gòu)安裝工況

6 結(jié)構(gòu)卸荷

結(jié)構(gòu)卸載是將屋面鋼結(jié)構(gòu)從支撐受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換到自由受力狀態(tài)的過程。結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換卸載具體方法是:通過設(shè)置在支架或支撐頂部的可調(diào)節(jié)支撐裝置(螺旋式千斤頂),按多次循環(huán)、微量下降的原則,來實現(xiàn)荷載的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移。

6.1 卸載條件

所有構(gòu)件應(yīng)全部安裝到位、焊接結(jié)束;所有節(jié)點的連接已經(jīng)完成,外形尺寸經(jīng)驗收合格;卸載當(dāng)天的風(fēng)力不得大于 4級。

6.2 卸載步驟及方法

根據(jù)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)卸載、施工液壓油缸操作技術(shù)條件與施工仿真計算結(jié)果,劃分為三大區(qū)域,采用同區(qū)等距(局部不等距)、分步實施的方法來卸載,共分 35步完成。

根據(jù)施工仿真計算結(jié)果,選擇采用從中間向兩邊、局部間隔卸載的方法進行拆除支撐工作。卸載工具采用 20 t螺旋式千斤頂,卸載時,應(yīng)控制卸載速度,規(guī)定每旋轉(zhuǎn)螺旋式千斤頂半圈(180°)為卸載行程控制單元,每次卸載量控制在 8 mm左右,并應(yīng)控制其誤差范圍在 1mm以內(nèi)。

6.3 卸載控制措施

(1)臨時支架拆除過程中由于無法做到絕對同步,支架支撐點卸載先后次序不同,必然造成其軸力增減,應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求或計算結(jié)果,在關(guān)鍵支架支撐點部位放置檢測裝置,檢測支架的軸力變化,確保支架拆除安全。

(2)支撐卸載時,頂部承托件應(yīng)用調(diào)節(jié)裝置(千斤頂)進行慢慢釋放,不宜一次性釋放,最少應(yīng)分 3次進行釋放,且首次釋放時其卸載量不應(yīng)超過支撐總承載力的 20%。另外,在釋放過程中進行跟蹤測量,隨時了解結(jié)構(gòu)的變形情況。

(3)卸載時,應(yīng)設(shè)置變形觀測點,并根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果與計算值進行對照,及時整理觀測報告。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,屋面網(wǎng)架全部卸荷完成后最大下?lián)狭?108 mm,在屋面板等荷載全部加載后最大下?lián)狭?138mm,低于設(shè)計撓度的 1.15倍,滿足要求。

7 鑄鋼件足尺試驗

7.1 節(jié)點選取和試驗內(nèi)容

(1)根據(jù)鑄鋼節(jié)點受力情況,選取了 3個代表性的鑄件進行試驗,分別是雨棚區(qū)的 D1、D2和站房區(qū)的C1節(jié)點(圖5～圖7)。

(2)通過鑄鋼節(jié)點在 1.3倍的設(shè)計荷載作用下各支桿端部的應(yīng)力及節(jié)點核心區(qū)的應(yīng)力狀況,檢驗節(jié)點的承載能力。

圖5 C1鑄鋼節(jié)點

圖6 D1鑄鋼節(jié)點

圖7 D2鑄鋼節(jié)點

7.2 試驗準(zhǔn)備

(1)試驗反力架(圖8)

試驗反力架采用鋼結(jié)構(gòu)箱梁制成,設(shè)計為自平衡體系,為加強桿件的剛度,在桿件連接拐角處均設(shè)置了鋼板加腋。經(jīng)計算,在加載荷載的作用下,反力架的位移值非常微小,可以忽略不計。

圖8 反力架

(2)試驗設(shè)備

根據(jù)設(shè)計院提供的荷載值,C1節(jié)點 4個支桿承受的軸力值的 1.3倍分別是:1號桿3 428.1k N;2號桿4 110.6 kN;3號桿2 412.8 kN;4號桿3 214.9kN。加載設(shè)備選用 3臺400 t和 2臺250 t液壓千斤頂,滿足加載要求。試驗所用千斤頂與壓力表均做了精確的標(biāo)定,荷載同步分級施加。數(shù)據(jù)采集、記錄和處理設(shè)備為1臺 DH3816靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、2臺 CM-1 J-32測量系統(tǒng)和 2臺電腦。

7.3 試驗過程

(1)測點布置(以 C1鑄件為例)

節(jié)點試驗內(nèi)容主要是檢測在加載條件下各支桿端部的應(yīng)力以及節(jié)點核心區(qū)的應(yīng)力,分別采用單向和三向應(yīng)變片進行測試。

單向應(yīng)變片用以測試節(jié)點各支桿的單向應(yīng)變。在距鑄鋼節(jié)點支管端部 50mm處沿管徑各布置 4個單向應(yīng)變片,根部各布置 1個單向應(yīng)變片。在距主管端部50 mm處沿管徑各布置 4個單向應(yīng)變片,由于管件截面漸變,在距離第 1排 4個應(yīng)變片1 000 mm處沿管徑再布置 8個單向應(yīng)變片,總計 32個單向應(yīng)變片(圖9～圖11)。

圖9 C1桿件編號

圖10 支管單向應(yīng)變片(單位:mm)

圖11 主管單向應(yīng)變片(單位:mm)

三向應(yīng)變花用以測試鑄鋼節(jié)點核心區(qū)的 3個方向的應(yīng)變,從而根據(jù)理論計算公式推算出應(yīng)變花所測平面內(nèi)第一主應(yīng)力及第二主應(yīng)力,進而依據(jù)第四強度理論,得到該測點的 Mises應(yīng)力。根據(jù)以上原則,在靠近4個支管的交匯核心區(qū),沿每個支管的管徑根部布置 8組應(yīng)變花,在支管兩兩交匯處,各布置一個應(yīng)變花,總計 36個應(yīng)變花(圖12)。

圖12 C1節(jié)點三向應(yīng)變花布置

(2)試驗加載方案

根據(jù)設(shè)計院提供的荷載,計算各支管節(jié)點試驗加載力,試驗加載力為設(shè)計荷載的 1.3倍。在試驗過程中,采用各桿件同步分級加載制度。本節(jié)點共進行 3次循環(huán)加載,每次加載分為 13級。

7.4 試驗結(jié)果整理及分析

(1)根據(jù)單向應(yīng)變片實測數(shù)據(jù),鑄鋼節(jié)點 C1支桿1～4號在加載端部的軸向壓應(yīng)力值隨加載等級的增加呈線性增長的關(guān)系。應(yīng)力最大值在 2號桿的 7號應(yīng)變片測點,為 62.56 MPa,小于鑄鋼材料的屈服強度值300 MPa,鑄鋼件端部完全處于彈性狀態(tài)。

(2)根據(jù)三向應(yīng)變花實測數(shù)據(jù),鑄鋼件 C1核心區(qū)應(yīng)力狀況滿足承載力要求,折算應(yīng)力最大值在三向應(yīng)變花測點 10處,為 111.53 MPa,小于鑄鋼材料的屈服強度值 300 MPa。其中 Mises應(yīng)力在 3次加載過程中,隨加載基本呈線性變化,說明鑄鋼件應(yīng)力復(fù)雜區(qū)域也處于彈性狀態(tài)。

(3)D1節(jié)點支桿的應(yīng)力最大值為 72.86 MPa,核心區(qū)最大應(yīng)力為 74.61 MPa,小于鑄鋼材料的屈服強度值 300 MPa;D2節(jié)點支桿的應(yīng)力最大值為 52.6 MPa,核心區(qū)最大應(yīng)力為 107.26 MPa,小于鑄鋼材料的屈服強度值 360 MPa,且節(jié)點都處于彈性受力階段。

8 結(jié)語

(1)在車站大橋完工之前,站房鋼結(jié)構(gòu)就開始安裝,為后續(xù)工程的順利開展,為武廣鐵路客運專線全線聯(lián)調(diào)聯(lián)試創(chuàng)造了條件。

(2)運用 MIDAS軟件進行施工仿真計算,保證了方案的合理性、科學(xué)性。

(3)通過過程工序的控制及結(jié)構(gòu)監(jiān)測,既保證了質(zhì)量與安全,又印證了施工仿真計算的正確性。

(4)鑄鋼件的試驗數(shù)據(jù)和有限元分析計算數(shù)據(jù)相比較,兩者基本吻合或接近,說明鑄鋼節(jié)點的制作受鑄造生產(chǎn)工藝等外部因素的影響較小,采用有限元分析計算結(jié)果可靠。證明本工程鑄鋼節(jié)點能夠滿足承載力設(shè)計要求,結(jié)構(gòu)安全可靠。

(5)武廣鐵路客運專線長沙南站鋼結(jié)構(gòu)工程進展順利,在計劃時間內(nèi)封頂。造型優(yōu)美別致,實現(xiàn)了大跨度大空間的設(shè)計意圖;豎向同步,橫向逐漸推進,高空單元拼裝方案的實施,對其他工程,特別是大型鐵路高架站房工程施工具有一定的借鑒作用。

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