鐵路站房大跨度鋼結(jié)構(gòu)吊裝技術(shù)研究

李斌

摘要：本文通過實(shí)例對鐵路站房大跨度鋼結(jié)構(gòu)的吊裝技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。

關(guān)鍵詞：鐵路；大跨度鋼結(jié)構(gòu)；吊裝技術(shù)

一、工程概況

某鐵路站房工程屋蓋結(jié)構(gòu)形式為倒三角管桁架，平面呈矩形，東西寬約102米，南北長約350米，鋼桁架中間跨度達(dá)66m，兩側(cè)跨度為18m，桁架最高點(diǎn)標(biāo)高為33.1m。屋蓋由18榀橫向主桁架、16榀橫向次桁架、6道縱向次桁架和上弦水平支撐組成，主桁架寬3.6m，高3.4—4.8m，次桁架寬3m，高1.8—4.2m。屋蓋桁架下部支撐為混凝土結(jié)構(gòu)，桁架通過68個(gè)球鉸抗震支座與混凝土柱連接。站房最高點(diǎn)女兒墻檐口標(biāo)高為40.8m，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)標(biāo)高為33.1m。站房工程的鋼結(jié)構(gòu)主要分為鋼樓梯、站房屋蓋和北側(cè)進(jìn)站雨棚三個(gè)部分。

結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成圖

二、研究背景

我國的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)得到了迅速的發(fā)展，輕型鋼結(jié)構(gòu)是我國近期重點(diǎn)推薦的一種結(jié)構(gòu)形式，它具有重量輕，造型輕巧美觀，施工速度快，經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。在梁式屋蓋輕鋼結(jié)構(gòu)中，三角形空間鋼管結(jié)構(gòu)已經(jīng)引起人們的注意，這種結(jié)構(gòu)由兩根上弦桿和一根下弦桿組成的三角形截面，所有桿件均采用鋼管組成的空間桁架結(jié)構(gòu)。目前采用這種結(jié)構(gòu)的建筑物基本屬于公共建筑，在國內(nèi)外運(yùn)用均較為廣泛。

大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)已是一種相當(dāng)成熟的結(jié)構(gòu)形式，滿足了人們對建筑美學(xué)以及內(nèi)部空間的需求，但是也因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜多樣，施工場地的限制，導(dǎo)致桁架在拼裝安裝的施工難度越來越大。本研究主要的技術(shù)為“移動(dòng)式工裝架提升”的施工技術(shù)，是根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，現(xiàn)場場地條件，綜合國內(nèi)目前施工技術(shù)應(yīng)用，以滿足某站屋蓋鋼桁架施工要求。

三、主要研究內(nèi)容

3.1施工方案的選擇

本工程屋蓋為倒三角管桁架結(jié)構(gòu)體系，因截面大、重量大，無法滿足運(yùn)輸條件，故采取在加工廠按照深化設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行相貫線切割，以短料形式汽運(yùn)至現(xiàn)場，現(xiàn)場組成分段空間結(jié)構(gòu)，由大型吊車安裝，高空對接。

第一階段（U-K軸）：此階段現(xiàn)場場地條件較好，能夠滿足大型機(jī)械吊裝、行走、進(jìn)出場要求，故選擇在施工現(xiàn)場空余場地進(jìn)行桁架分段的拼裝，利用站房兩側(cè)布置大型機(jī)械直接安裝就位。

第二階段（K-A軸）：此部分屋蓋桁架分三個(gè)階段施工，且每個(gè)階段施工場地較小，工程量也較少，將6-8軸、11-13軸桁架在施工現(xiàn)場空余場地進(jìn)行桁架分段的拼裝，利用站臺層布置150t履帶吊直接安裝就位；8-11軸桁架在高架層拼裝，利用布置在高架層移動(dòng)式工裝提升架安裝主桁架，25t汽車吊上高架層樓面安裝次桁架。

3.2研究的過程

3.2.1屋蓋桁架分段的劃分

本工程桁架規(guī)格尺寸較大，無法滿足運(yùn)輸條件，即工廠內(nèi)無法進(jìn)行拼裝，只能通過構(gòu)件相貫線切割完成后即散件打包運(yùn)輸至現(xiàn)場。按照以下五點(diǎn)原則對桁架屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分段：

1、必須按照吊裝機(jī)械的起吊能力進(jìn)行合理分段。

2、能夠滿足現(xiàn)場施工條件，能夠保證組裝的操作工藝要求。

3、在進(jìn)行現(xiàn)場吊裝分段時(shí)，需要考慮到桿件受力情況，吊裝分段不能劃分在桿件內(nèi)力較大截面位置。

4、可以滿足加工廠制作的方便和運(yùn)輸要求。

5、必須與深化設(shè)計(jì)分段方式一致，且形成體系與原設(shè)計(jì)體系相符。

在場外拼裝場地分段拼裝完成后，運(yùn)輸至站房既定吊裝位置，按照先主后次的吊裝順序依次完成吊裝作業(yè)。

3.2.2大跨度鋼結(jié)構(gòu)安裝：

1、第一階段鋼結(jié)構(gòu)屋蓋桁架安裝

在土建結(jié)構(gòu)柱澆筑混凝土之前，利用塔吊安裝柱頂埋件，并對其精確定位。待土建主體結(jié)構(gòu)施工完成后，在站房兩側(cè)布置兩臺350t履帶吊，將分段桁架由拼裝場地運(yùn)輸?shù)降踯嚻鹬胤秶鷥?nèi)，直接吊裝就位，桁架分段位置設(shè)置臨時(shí)支撐。桁架安裝時(shí)，提前將馬道安裝在桁架內(nèi)，與桁架一起就位。

根據(jù)吊裝要求，結(jié)構(gòu)吊裝需設(shè)置臨時(shí)支撐架，以便分段就位，按分段的重量進(jìn)行計(jì)算，確定臨時(shí)支架的形式采用格構(gòu)柱體系，并根據(jù)吊裝時(shí)支架受力的不同，進(jìn)行每只臨時(shí)支架的合理設(shè)計(jì)，臨時(shí)支架在分段吊裝前必須制作結(jié)束并交檢查員驗(yàn)收合格方可使用。按支架布置位置將各臨時(shí)支架吊裝到位，并用纜風(fēng)繩進(jìn)行固定，同時(shí)與地面、砼基礎(chǔ)固定。本工程選用臨時(shí)支撐外型基本組合尺寸為1.5m×1.5m，支撐架所有組件均由鋼管構(gòu)成，支撐柱規(guī)格為P180*10，腹桿為P89*6，上面設(shè)置定位調(diào)整平臺。

站房兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行屋蓋桁架安裝，由于本工程屋蓋桁架為倒三角桁架，必須嚴(yán)格保證其側(cè)向穩(wěn)定性，以免發(fā)生傾覆。應(yīng)按照先安裝永久結(jié)構(gòu)柱位置桁架，后安裝臨時(shí)支撐位置桁架的原則逐步進(jìn)行屋蓋桁架吊裝。首榀桁架吊裝時(shí)需在桁架兩側(cè)拉設(shè)四道纜風(fēng)繩，并將桁架支座與結(jié)構(gòu)柱可靠連接后方可摘鉤。后續(xù)桁架吊裝均需與前一榀桁架形成可靠連接并拉設(shè)纜風(fēng)繩后摘鉤。

當(dāng)所有主次桁架安裝完成并焊接驗(yàn)收后，進(jìn)行整體屋蓋的卸載工作。由于卸載過程是一個(gè)力的傳遞和受力體的轉(zhuǎn)換過程，因此這一過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。在這一過程中力的傳遞與受力體的轉(zhuǎn)換必須要保持“合理、有序、平穩(wěn)、緩慢、均勻”的過渡這就是本工程的卸載原則，務(wù)必遵循。根據(jù)細(xì)化卸載計(jì)算的結(jié)果，針對不同的卸載點(diǎn)反力要求，支撐點(diǎn)上主結(jié)構(gòu)的形式，分別采用10噸千斤頂組合、20噸千斤頂組合的布置。根據(jù)施工階段劃分以及桁架伸縮縫位置，本工程按照由北向南的順序逐步卸載，66米跨兩根臨時(shí)支撐柱需同時(shí)卸載，避免增加桁架二次受力。

2、第二階段鋼結(jié)構(gòu)屋蓋桁架安裝

待土建主體結(jié)構(gòu)施工完成后，在站房高架層布置拼裝胎架完成站房內(nèi)部主次桁架拼裝，在地面布置拼裝胎架，完成外側(cè)主次桁架拼裝。在8、11軸線之間布置兩組工裝提升架，主要負(fù)責(zé)吊裝66米跨橫向桁架和8軸、11軸縱向次桁架，在站房外側(cè)站臺層位置布置兩輛150噸履帶吊，主要負(fù)責(zé)吊裝18米跨橫向桁架和6軸、13軸縱向桁架，其余次桁架和上弦水平支撐均由25噸汽車吊上高架層樓面安裝。

這個(gè)階段中66米桁架需在樓面上拼裝，構(gòu)件均需要以散件形式倒運(yùn)至高架層上。由于此部分桁架體量較小，且站臺層選用150噸履帶吊主臂工況施工，與塔吊影響較小，主要選用塔吊來完成高架層上方的水平運(yùn)輸。

第二施工階段鋼結(jié)構(gòu)吊裝選擇+8.9高架層為作業(yè)面，根據(jù)擬定的吊裝方案，將在高架層樓板上布設(shè)爬行式工裝提升架，工裝架鋼軌下部為高架層混凝土梁，梁截面為450*1400mm，原混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載與鋼結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)的施工荷載不同，鋼結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)的施工荷載較大，故需要對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，防止混凝土結(jié)構(gòu)破壞、保證混凝土結(jié)構(gòu)的安全；通過對原結(jié)構(gòu)的加固，從而保證上部鋼結(jié)構(gòu)正常的安裝施工。

大型鋼構(gòu)件液壓同步提升與高空滑移施工整體科技含量高，采用“液壓同步提升技術(shù)”與“液壓同步滑移技術(shù)”吊裝大型鋼構(gòu)件，主要的拼裝、焊接及油漆等工作在地面進(jìn)行，減少了高空作業(yè)的工作量，施工效率高，施工質(zhì)量易于保證。由于技術(shù)先進(jìn)，吊裝過程的安全性高。大型鋼構(gòu)件整體吊裝，將高空作業(yè)量降至最低，并且液壓提升與滑移作業(yè)絕對時(shí)間較短，能夠有效保證鋼結(jié)構(gòu)安裝工程的工期。

（1）提升工裝架結(jié)構(gòu)形式

采用液壓同步提升、滑移設(shè)備吊裝鋼結(jié)構(gòu)，需要設(shè)置專用提升平臺。為解決重慶北站吊裝難題，公司為該項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作兩套專用提升工裝架，該工裝架采用多用途結(jié)構(gòu)架和附加設(shè)備（液壓爬行器、液壓提升機(jī)構(gòu)）組成。

工裝架整體高約28m，長約13.5m，寬約12m，構(gòu)件可提升高度26m。該裝置利用12m、15m走道板做底座，其中15m走道板通過加滑移墊塊及導(dǎo)向塊與軌道直接接觸，液壓爬行器通過推動(dòng)15m走道板來實(shí)現(xiàn)該裝置的運(yùn)動(dòng)。

（2）液壓同步提升、滑移技術(shù)工作原理

3、液壓同步提升技術(shù)

液壓同步提升技術(shù)采用液壓提升器作為提升機(jī)具，柔性鋼絞線作為承重索具。液壓提升器為穿芯式結(jié)構(gòu)，以鋼絞線為提升索具，有著安全、可靠、承重件自身重量輕、運(yùn)輸安裝方便、中間不必鑲接等一系列獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。液壓提升器兩端的楔型錨具具有單向自鎖作用。當(dāng)錨具工作（緊）時(shí)，會(huì)自動(dòng)鎖緊鋼絞線；錨具不工作（松）時(shí)，放開鋼絞線，鋼絞線可上下活動(dòng)。

具體可分為六個(gè)工作步驟：

第1步：上錨緊，夾緊鋼絞線；

第2步：提升器提升重物（鋼桁架）；

第3步：下錨緊，夾緊鋼絞線；

第4步：主油缸微縮，上錨片脫開；

第5步：上錨缸上升，上錨全松；

第6步：主油缸縮回原位；

液壓同步提升技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1）通過提升設(shè)備擴(kuò)展組合，提升重量、跨度、面積不受限制；

（2）采用柔性索具，只要有合理的承重吊點(diǎn)，提升高度不受限制；

（3）提升器錨具具有逆向運(yùn)動(dòng)自鎖性，使提升過程十分安全，并且構(gòu)件可在提升過程中的任意位置長期可靠鎖定；

（4）設(shè)備體積小，自重輕，承載能力大，特別適宜于狹小空間或室內(nèi)進(jìn)行大噸位構(gòu)件提升；

（5）設(shè)備自動(dòng)化程度高，操作方便靈活，安全性好，可靠性高，適應(yīng)面廣，通用性強(qiáng)。

4、液壓同步滑移技術(shù)

液壓同步滑移技術(shù)采用液壓頂推器作為滑移驅(qū)動(dòng)設(shè)備。液壓頂推器采用組合式設(shè)計(jì)，后部以頂緊裝置與滑道連接。前部通過銷軸及連接耳板與被推移結(jié)構(gòu)連接，中間利用主液壓缸產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)推動(dòng)力。液壓頂推器的頂緊裝置為楔型夾塊，具有單向鎖定功能。當(dāng)主液壓缸伸出時(shí)，頂緊裝置工作，自動(dòng)頂緊滑道側(cè)面；主液壓缸縮回時(shí)，頂緊裝置不工作，與主液壓缸同方向移動(dòng)。具體步序（見下圖）：

步驟1：爬行器夾緊裝置中楔塊與滑移軌道夾緊，爬行器液壓缸前端活塞桿銷軸與15m走道板連接。爬行器液壓缸伸缸，推動(dòng)滑移構(gòu)件向前滑移；

步驟2：爬行器液壓缸伸缸一個(gè)行程，構(gòu)件向前滑移一個(gè)步距；

步驟3：一個(gè)行程伸缸完畢，滑移構(gòu)件不動(dòng)，爬行器液壓缸縮缸，使夾緊裝置中楔塊與滑移軌道松開，并拖動(dòng)夾緊裝置向前滑移；

步驟4：爬行器一個(gè)行程縮缸完畢，拖動(dòng)夾緊裝置向前滑移一個(gè)步距。一個(gè)爬行推進(jìn)行程完畢，再次執(zhí)行步驟1工序。如此往復(fù)使構(gòu)件滑移至最終位置。

液壓同步提升與滑移技術(shù)均采用計(jì)算機(jī)控制，通過數(shù)據(jù)反饋和控制指令傳遞，可全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)作、負(fù)載均衡、姿態(tài)矯正、應(yīng)力控制、操作閉鎖、過程顯示和故障報(bào)警等多種功能，是集機(jī)、電、液、傳感器、計(jì)算機(jī)和控制論于一體的現(xiàn)代化先進(jìn)設(shè)備。

3.3研究結(jié)果及分析結(jié)論

1、將屋蓋鋼結(jié)構(gòu)在地面分段拼裝后，利用大型履帶吊分段吊裝、高空對接方案，為屋蓋桁架常規(guī)施工做法。此方案將大部分拼裝工作在地面提前完成，對于質(zhì)量、工期等均能有效控制，對現(xiàn)場場地條件和施工通道情況要求較高。

2、通過對移動(dòng)式工裝提升架施工技術(shù)的研究，安全有效的解決了在場地條件受限制、大型履帶吊投入成本過高的難題，采用國內(nèi)領(lǐng)先的液壓同步滑移技術(shù)來完成工裝提升架的行走，采用液壓同步提升技術(shù)來完成屋蓋桁架的安裝，嚴(yán)格控制了安裝精度，大大減少了高空作業(yè)工作量，保證了施工安全質(zhì)量。

3、采用移動(dòng)式工裝提升架方案施工時(shí)，要預(yù)先對施工階段各個(gè)過程以及整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，分析其提升過程中各個(gè)重要節(jié)點(diǎn)部位受力情況，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采取正確合理的施工方法是整個(gè)施工控制的關(guān)鍵。

4、此項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用計(jì)算機(jī)液壓同步控制技術(shù)，保證工裝提升架前進(jìn)、后退，桁架的提升同步進(jìn)行。并對整體提升過程進(jìn)行施工仿真計(jì)算，有效地控制了提升過程中的高度偏差及精度，保證了桁架提升的順利進(jìn)行以及采用移動(dòng)式工裝提升架施工技術(shù)方案的合理性、科學(xué)性。