廣州南站大型空間鋼結(jié)構(gòu)的制作與施工技術(shù)

藺軍 丁建強 高繼領(lǐng) 任軍

江蘇滬寧鋼機鋼機股份有限公司 江蘇宜興 214231

摘 要：廣州南站是我國新建的四大高鐵客運樞紐之一，結(jié)構(gòu)主體采用了站橋共柱形式，地下層為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，12.0m層以上為大跨度預應力梁板混凝土與鋼桁架梁柱組合結(jié)構(gòu)，21.0m層以上及屋面采用大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)體系。本文主要對其極富特色的站臺無柱雨棚鋼桁架支撐預應力索拱結(jié)構(gòu)、主站房及中央采光帶、入口大廳懸挑結(jié)構(gòu)的預應力索拱與索殼組合弧形屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件與節(jié)點制作、主體鋼結(jié)構(gòu)的施工安裝等內(nèi)容進行說明，著重闡述了其中的重要節(jié)點及構(gòu)件所采取的加工制作技術(shù)、預應力索拱與索殼的張拉施工等關(guān)鍵技術(shù)措施與結(jié)構(gòu)施工全過程的有限元數(shù)值分析等重點內(nèi)容，可供同類大型建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計與施工參考。

關(guān)鍵詞：廣州南站 大型空間鋼結(jié)構(gòu) 索拱 索殼 加工制作 施工技術(shù) 數(shù)值分析

1.工程概況

廣州南站位于廣州市番禺區(qū)，是全國新建的四大高鐵客運樞紐之一，總建筑面積約36萬平米，建筑最高點標高52m，共三層，其中頂層大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋投影面積為21萬平方米，其整體建筑效果如圖1所示。

圖1：廣州南站整體建筑效果圖

根據(jù)建筑使用要求與結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度等因素綜合考慮，廣州南站結(jié)構(gòu)主體采用站橋共柱形式，地下層為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；12.0m層以上采用大跨度預應力梁板混凝土與鋼桁架梁柱組合結(jié)構(gòu)；21.0m層以上及屋面采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系，平面形狀為邊緣有突出的近似正方形，平面尺寸576m×475m；主體結(jié)構(gòu)用鋼量達8萬噸。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)主要包括無站臺柱雨棚、主站房弧形鋼屋蓋、中央采光帶、入口大廳四個部分，其中無站臺柱雨棚采用鋼桁架支撐的預應力索拱結(jié)構(gòu)，主站房屋蓋、中央采光帶、入口大廳懸挑結(jié)構(gòu)為鋼桁架支撐的預應力索拱和索殼兩種結(jié)構(gòu)的弧形組合鋼結(jié)構(gòu)體系。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面類型較多，有圓管、梭形管、長圓管及方管等，構(gòu)件之間主要采用焊接、鑄鋼連接、銷軸連接、栓焊混合連接或鑄鋼與焊接混合的連接方式。

2.鋼結(jié)構(gòu)的加工制作

2.1 鋼結(jié)構(gòu)加工制作的特點與難點

本工程建筑設(shè)計新穎，結(jié)構(gòu)類型復雜，空間跨度、懸挑尺寸大（其中索拱、索殼跨度分別達到68m和58m，入口懸挑檐口南北向跨度更達100m、東西向跨度約40m），構(gòu)件類型多樣，板材厚度大，強度等級高（Q390GJC），給結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計與鋼結(jié)構(gòu)加工制作、施工安裝等工作帶來了相當?shù)碾y度，主要有：

（1）該工程索拱和索殼結(jié)構(gòu)安裝于頂層21.0m樓板上方，最大安裝標高達52m，施工投影面積192m×398m，屬超大型結(jié)構(gòu)的施工范疇，需特別考慮施工吊裝工藝組織設(shè)計；

（2）拱與殼結(jié)構(gòu)本身施工難度較大，本工程中索拱與索殼結(jié)構(gòu)具有跨度大（單跨達到68m）、重量重（桁架單榀重達185噸）、外形尺寸大以及柔性預應力索結(jié)構(gòu)分步張拉施工的特點；

（3）該工程材料強度高、超厚板構(gòu)件較多，加上焊接量龐大、節(jié)點部位焊縫集中、焊縫質(zhì)量要求高，導致結(jié)構(gòu)在焊接過程中容易產(chǎn)生嚴重的角變形、扭曲變形、局部與整體變形，控制焊接變形與消除殘余應力、防止層狀撕裂等構(gòu)件制作質(zhì)量要求很高。

（4）本工程屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工中同時進行橋梁及混凝土工程的施工，施工面積大，三項工程工序交錯，配合情況復雜，施組編制要求高。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)加工制作工藝措施

針對本工程結(jié)構(gòu)在加工、制作方面的特點與難點，編制了詳細的制作、焊接工藝流程，采取了一系列有效的工藝措施，確保結(jié)構(gòu)每一根構(gòu)件、每一處節(jié)點的制作質(zhì)量，進而保證整個工程的質(zhì)量。由于節(jié)點設(shè)計的合理性對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的成形難度與加工質(zhì)量影響很大，在結(jié)構(gòu)擴初設(shè)計階段即對結(jié)構(gòu)體系的組成與連接進行了優(yōu)化設(shè)計；考慮的因素主要有：構(gòu)件分段易于切分與現(xiàn)場吊裝；節(jié)點傳力明確，剛度分配合理，符合設(shè)計意圖與計算假定，易于施工；焊縫強度等級要求合理，構(gòu)造連接簡便化，盡量減少焊縫焊接拘束度等。其中關(guān)鍵的焊接工藝措施如下：

（1）焊接變形控制。本工程中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量多且構(gòu)件形式各異，使用了較多的超厚板，如超厚板錐形鋼管柱、厚板箱形柱、厚板焊接H型梁與箱梁、超厚板徑索拱桁架等。為控制焊后構(gòu)件及板件產(chǎn)生較大變形，主要采取的工藝措施有：1）根據(jù)不同的焊接方法，選擇與控制合理的焊接順序，如對每條焊縫正反兩面分階段、反復施焊，或同一條焊縫分二個時間段施焊；2）通過設(shè)置胎模夾具，將異形厚板結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于固定的狀態(tài)下進行裝配、定位，焊接；3）針對本工程厚板、超厚板焊接過程的特點，施焊工序注意進行預熱溫度的控制工作，如采用補償加熱法工藝流程等；厚板焊前必須進行加熱，加熱時按板材的不同厚度，采用紅外線電加熱板，并配備數(shù)顯電控箱，自動控制與調(diào)節(jié)焊接過程中的溫度；4）采取反變形措施，如在H型鋼拼裝前將上下翼緣板先預設(shè)反變形，反變形量則通過焊縫施焊過程中的熱輸入量計算及積累的工程工藝經(jīng)驗綜合考慮后確定。

（2）焊接裂紋控制。為防止焊接裂紋的產(chǎn)生，除考慮上述各項工藝焊接條件外，主要采用以下措施：1）選取適宜焊材，控制焊材的化學成分；2）控制焊接工藝的參數(shù)、條件，提高根部焊縫質(zhì)量，提高焊縫清根要求；3）控制焊縫金屬在800℃～500℃之間冷卻速度（t8/5值），方法有焊前預熱、適當增大焊接熱輸入、焊后的后熱和緩冷，以達到增大t8/5、降低冷裂紋敏感性的效果；4）焊后消氫處理以加速氫的擴散。

對厚板及“T”型焊接與連接容易發(fā)生的層間撕裂，采取的預防措施主要有：1）控制鋼材的含硫量，減少母材夾雜物及分層缺陷，增加、控制鋼材的Z向性能；2）采用合理的節(jié)點與坡口設(shè)計以減小焊縫收縮應力；如角接接頭中采用對稱坡口或偏向于側(cè)板的坡口，使焊縫收縮產(chǎn)生的拉應力與板厚方向成一角度，尤其在特厚板時，側(cè)板坡口面角度應超過板厚中心，以減小層狀撕裂傾向；3）采用合理的焊接工藝，如雙面坡口時采用兩側(cè)對稱多道次施焊、采用適當小的熱輸入多層焊接，選用低氫、超低氫焊條或氣體保護焊方法、焊后消氫熱處理等；4）對于梁翼緣與柱壁板熔透焊接，且為厚板“T”型焊于薄板的情況，采取局部加厚柱壁板的措施，盡量避免尺寸相差比較懸殊的厚板“T” 型對接于薄板的情況。

（3）殘余應力控制與消除。針對本工程加工過程中構(gòu)件的殘余應力問題，工藝上主要從以下幾個方面進行控制：1）減小焊縫尺寸（如單坡變雙坡等）及焊接拘束度；2）采取合理的焊接順序，如先焊對接縫，次焊垂直角焊縫，再焊平面角焊縫等；3）采取補償加熱法，焊前對焊縫周邊一定范圍內(nèi)進行加熱，加熱溫度視板厚及母材碳當量（CE）而定；4）對于大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取分部、分解組裝焊接，結(jié)構(gòu)各部分分別施工、焊接，矯正合格后總裝焊接。

盡管采取以上措施來控制焊接應力，但因本工程構(gòu)件的特殊性，焊接完工后依然存在相當大的應力，為此還從以下幾個方面來進一步消除構(gòu)件殘余應力：1）在整平過程中通過加大對工件切割邊緣的反復碾壓，利用對工件整平消除應力；2）控制加熱溫度與范圍，在構(gòu)件完工后對其焊縫背部或焊縫兩側(cè)進行烘烤，通過局部烘烤釋放應力；3）對厚板箱形構(gòu)件進行超聲波震動消除應力；4）采用振動時效法消除應力；5）沖砂除銹時，噴出高壓鐵砂束對構(gòu)件焊縫及其熱影響區(qū)反復、均勻地沖擊，利用沖砂除銹的工序消除應力。

2.3典型節(jié)點連接的深化設(shè)計

本工程鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型包括圓管（桁架）、梭形管及方管、矩形管（桁架）、H形鋼（桁架）等，構(gòu)件之間采用焊接、鑄鋼節(jié)點連接、銷軸鉸接、栓焊混合連接及鑄鋼與焊接混合連接的方式。大跨度屋蓋鋼結(jié)構(gòu)主要采用空間相貫焊連接形式，索拱與索殼的索夾節(jié)點、變截面錐形柱分叉節(jié)點及部分柱頂節(jié)點等采用鑄鋼節(jié)點形式，少量柱頂節(jié)點采用板式剛接節(jié)點，索拱、索殼的拉索端頭、部分柱腳采用銷軸鉸結(jié)連接。由于構(gòu)件與節(jié)點連接類型多、構(gòu)造復雜，材料強度等級高、板材厚度大，結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計具有相當?shù)碾y度。其中最重要的節(jié)點連接類型主要有：索拱與索殼張弦結(jié)構(gòu)索夾節(jié)點；圓形、箱形及橢圓形變截面錐形柱分叉節(jié)點；柱頂板式加勁剛接節(jié)點；采光帶單層網(wǎng)殼箱梁交匯剛接節(jié)點；三向張弦梁及入口大廳懸挑結(jié)構(gòu)連接節(jié)點等。此處限于篇幅，另文詳述。

3.鋼結(jié)構(gòu)施工

3.1鋼結(jié)構(gòu)整體施工方案

對于本工程這樣的大型空間鋼結(jié)構(gòu)項目，現(xiàn)場施工組織設(shè)計至關(guān)重要，制定合理的施工方案并進行準確的施工過程分析是結(jié)構(gòu)安全施工與順利成形的根本保證。根據(jù)主體結(jié)構(gòu)的施工吊裝工藝要求與現(xiàn)場施工條件，本工程首先按場地分塊劃分圖設(shè)置臨時支撐，采用場內(nèi)對稱、分塊（結(jié)構(gòu)組成單元）與分步的結(jié)構(gòu)施工方案與吊裝技術(shù)路線，分塊、逐次地進行結(jié)構(gòu)支座及主構(gòu)件的施工；在形成結(jié)構(gòu)受力骨架主體單元后，再按要求進行分塊、局部區(qū)域的拼裝，直至結(jié)構(gòu)整體吊裝完成；無站臺柱雨棚與主站房部分施工相對獨立。

針對本工程預應力鋼結(jié)構(gòu)施工的難點與特點，在施工工藝上主要采取了以下的控制措施：1）嚴格控制制索精度；2）規(guī)定預應力施加過程的速率，保證結(jié)構(gòu)經(jīng)歷一個平穩(wěn)自適應的過程；3）確定預應力施工順序，確保結(jié)構(gòu)盡可能均勻、對稱、勻速地施工，避免出現(xiàn)過大的局部集中荷載效應并使預應力分布到整個結(jié)構(gòu)；4）對鋼結(jié)構(gòu)的變形、應力和預應力鋼索的受力狀況進行實時監(jiān)測，保證結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)與原設(shè)計相符。

現(xiàn)場預應力鋼結(jié)構(gòu)施工時，將屋蓋鋼結(jié)構(gòu)劃分為8個安裝分區(qū)。預應力張拉施工流程如下：1）每榀索拱桁架在地面拼裝完成后進行初張拉，張拉力根據(jù)計算確定，應保證結(jié)構(gòu)起吊剛度及索拱支座間相對距離要求；2）將桁架吊裝至鋼柱定位后，B、D-1和D-2區(qū)拉索張拉時結(jié)構(gòu)互相不影響，可隨著安裝逐步進行拉索張拉到位；3）對于A-1、A-2、C-1、C-2和E區(qū)，由于沿拉索軸線跨度方向受力與變形互相影響很大，需要在一個分區(qū)全部完成后，最終張拉到設(shè)計索力；4）全部屋面安裝完成后，對結(jié)構(gòu)變形進行檢測，對個別誤差較大的索桁架進行張拉微調(diào)。

結(jié)構(gòu)預應力施工分區(qū)圖

4.鋼結(jié)構(gòu)施工過程數(shù)值分析

對于此類復雜的多類型剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)組合體系，為能更好地了解結(jié)構(gòu)的受力性能以便于指導鋼結(jié)構(gòu)的順利施工，對整體結(jié)構(gòu)的施工各階段進行考慮施工吊裝過程結(jié)構(gòu)累積受力與變形效應的全過程有限元模擬計算，給出一些動態(tài)的量化控制指標，是保證工程安全有效實施不可或缺的重要環(huán)節(jié)。同時，在保證施工過程中主結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力安全與合理的情況下，采用的吊裝施工分段工況盡量少，吊裝分塊盡量合理，以力圖實現(xiàn)最快的施工進度并取得最好的施工質(zhì)量效果。

4.1 主站房計算結(jié)果

根據(jù)主站房屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工全過程有限元數(shù)值分析結(jié)果可知，在整個施工過程中，隨著各部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的順序安裝，結(jié)構(gòu)反力逐步增大，胎架支撐的最大應力為125N/mm2<210N/mm2，發(fā)生于中央采光帶下支承胎架聯(lián)系梁的上弦處（第15施工步）；主構(gòu)件的最大應力為278N/mm2<310N/mm2，發(fā)生于E軸檁條的懸挑處（第18施工步），均滿足要求。

支撐胎架總體位移控制在100mm之內(nèi)（鑒于此，實際施工中要求相應部位構(gòu)件安裝時通過預拉纜風繩等加強其整體聯(lián)系），滿足施工要求。由于施工過程分析考慮了結(jié)構(gòu)變形的累加效應，隨著結(jié)構(gòu)的逐步吊裝成形，構(gòu)件變形逐步加大，主結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大整體位移115mm（發(fā)生于A軸附近懸挑檁條處），均符合要求。

4.1.1 無站臺柱雨棚計算結(jié)果

從無站臺柱雨棚屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工全過程有限元數(shù)值分析結(jié)果可知，在整個施工過程中，隨著各部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的順序安裝，結(jié)構(gòu)反力逐步增大，胎架支撐的最大應力180N/mm2（局部范圍）<210N/mm2，發(fā)生于支撐頂部豎桿部位（第16施工步）；主構(gòu)件最大應力117N/mm2<310N/mm2，發(fā)生于索拱端部水平桿（第11施工步）；主結(jié)構(gòu)拉索最大內(nèi)力1348kN

在無站臺柱雨棚施工過程中，胎架支撐水平位移較?。▁向最大13mm，y向最大26mm），主要發(fā)生在格構(gòu)柱頂部位，滿足設(shè)計要求；但鑒于該胎架頂部水平撐桿部位計算應力較大，且最大豎向位移也發(fā)生在此處，在設(shè)計支撐截面時予以適當加大，保證其不成為控制胎架受力的主要因素。由于施工過程分析考慮了結(jié)構(gòu)變形的累加效應，隨著結(jié)構(gòu)的逐步吊裝成形，構(gòu)件變形逐步加大，主結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大整體位移67mm（發(fā)生于結(jié)構(gòu)G～I軸/3軸索拱處），符合要求。

5.結(jié) 語

作為我國新建的四大高鐵客運樞紐之一，廣州南站大型空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型多樣、構(gòu)造復雜，其節(jié)點深化設(shè)計、構(gòu)件加工制作與結(jié)構(gòu)施工安裝具有相當?shù)碾y度。本文主要對其極富特色的站臺無柱雨棚鋼桁架支撐預應力索拱結(jié)構(gòu)、主站房及中央采光帶、入口大廳懸挑結(jié)構(gòu)的預應力索拱與索殼組合弧形屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件與節(jié)點制作、主體鋼結(jié)構(gòu)的施工安裝等內(nèi)容進行說明，著重闡述了其中重要的節(jié)點及構(gòu)件所采取的制作與施工技術(shù)、預應力索拱與索殼的張拉施工等關(guān)鍵技術(shù)措施與結(jié)構(gòu)施工全過程的有限元數(shù)值分析等重點內(nèi)容，可供同類大型建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計與施工參考。

參考文獻：

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