濟南西客站大型屋蓋滑移控制技術(shù)分析

王培森，路鵬

（山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，濟南250101）

1 引言

近年來，隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展，建筑對大空間的需求，大跨度鋼桁架、網(wǎng)架等鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛。本文以濟南西客站站房鋼桁架屋頂滑移法施工為研究對象，利用有限元軟件ANSYS 對張拉對象建模，模擬預(yù)應(yīng)力加載過程，得到各控制點在張拉過程中的變形量。利用數(shù)值模擬分析結(jié)果控制張拉過程，保證張拉質(zhì)量，同時確保張拉過程順利進行，給大型屋蓋滑移施工過程提供依據(jù)[1]。

2 屋蓋滑移方案

2.1 工程概況

濟南西客站是京滬高速鐵路5 個始發(fā)終點站之一。車站中心里程DIK419+415，站房位于線路左側(cè)，面向城市。車站橫列式布局，設(shè)8 臺15 線（不含2 條高速正線）。到發(fā)線有效長度滿足650m。濟南西客站預(yù)計2020 年發(fā)送旅客2151 萬人/a，2030 年發(fā)送2807 萬人/a。

新建站房最高聚集人數(shù)4000 人，總建筑面積99786m2，無站臺雨棚65326m2。

濟南西客站Ⅱ區(qū)高架候車廳鋼結(jié)構(gòu)屋蓋分為A、B、C 3 個區(qū)，如圖1、圖2 所示。

圖1 屋蓋結(jié)構(gòu)分區(qū)圖

圖2 屋蓋結(jié)構(gòu)三維軸測圖

A 區(qū)的寬度116.4m，長度99m；B 區(qū)寬度116.4m，長度77.5m，C 區(qū)寬度107m，長度25m。其中，A 區(qū)和B 區(qū)結(jié)構(gòu)間有300mm 的間隙。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋型鋼梁及斜撐等附屬桿件多采用螺栓連接，而其中主桁架及型鋼梁、弧型梁等桿件均為弧形，加工、安裝難度較大。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約3000t，鋼材材質(zhì)均為Q345B。

2.2 液壓滑移原理

“液壓同步滑移技術(shù)”的滑移驅(qū)動設(shè)備為組合式結(jié)構(gòu)，中間利用液壓油缸驅(qū)動爬行，一端以鉸接連接滑移胎架或構(gòu)件，一端以楔形夾塊與滑移軌道連接?；七^程如下：安裝連接完畢后，爬行器液壓缸伸缸推動滑移，一個行程滑移300mm；伸缸行程完畢后，縮缸，松開楔塊與滑移軌道，拖動夾緊裝置向前滑移；縮缸完畢，繼續(xù)拖動夾緊裝置向前滑移，一個行程300mm。如此循環(huán)往復(fù)，使構(gòu)件滑移至最終位置[2]。

2.3 滑移平面布置

限于現(xiàn)場條件，為保證施工安全，待土建完成高架候車廳樓層混凝土施工，養(yǎng)護至設(shè)計強度后，下部結(jié)構(gòu)已形成整體，此時針對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工采用整體累計滑移技術(shù)。在西側(cè)Ⅱ-L 和Ⅱ-N 間搭設(shè)高空操作平臺，安裝方式為地面拼裝、整體吊裝、高空補檔。屋蓋主、次桁架拼裝完成后，分4 段吊裝主桁架，整體吊裝次桁架。主次桁架安裝就位后，連接型梁、檁條等構(gòu)件，達到滑移條件。

滑移過程中高架層至屋蓋的鋼柱，柱長約13.9m，于鋼柱間加設(shè)連桿傳遞爬行器推力，以增加滑移單位的整體穩(wěn)定性，減小變形量。

2.4 滑移安裝流程

高架候車廳屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝流程如圖3 所示。

圖3 屋蓋鋼結(jié)構(gòu)安裝流程

3 數(shù)值模擬計算

為保證滑移施工過程中結(jié)構(gòu)安裝，特采用大型有限元分析程序ANSYS10.0 對屋面結(jié)構(gòu)滑移施工進行計算分析。根據(jù)施工方案，本方案采用累積滑移，共有9 組滑移單元。

3.1 計算參數(shù)

結(jié)構(gòu)中的Q345B 鋼材材料參數(shù)如下：

彈性模量：E=2.06×105MPa；泊松比：γ=0.3；密度：ρ=7.85×103kg/m3；線膨脹系數(shù)：α=1.2×10-5℃-1；屈服強度：fy=345MPa；強度設(shè)計值：f=fy/1.15=300MPa。

根據(jù)施工方案，累積滑移整體屋面結(jié)構(gòu)的有限元計算模型如圖4 所示，主體結(jié)構(gòu)的桿件單元采用beam188 梁單元，加固桿件采用link8 單元。

圖4 構(gòu)件應(yīng)力分布圖（單位：MPa）

荷載：滑移過程中不考慮風(fēng)荷載及地震作用，將自重放大1.35 倍。

約束：結(jié)構(gòu)在滑移行進過程中僅受到軌道豎直方向的約束，因此于柱腳施加Z向約束，X、Y方向釋放約束[3]。

3.2 計算分析

對各滑移單元進行施工狀態(tài)計算分析：取滑移單元一為C 區(qū)部分的滑移。

可以看出，Z向位移最大值位于桁架跨中處，為38.28mm＜59000/400=147mm，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為79.45＜[f]=95MPa, 滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求。

同理可以求出其余8 個單元構(gòu)件最大應(yīng)力，均滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求。

3.3 特殊工況分析

為確?；瓢踩?，利用ANSYS 軟件分析計算可能出現(xiàn)的特殊工況：

1）軌道表面平整度偏差為20mm 時，對屋蓋的內(nèi)力及變形進行分析；

2）出現(xiàn)滑移不同步現(xiàn)象且不同步值達到30mm 時，對屋蓋的內(nèi)力及變形進行分析；

3）頂推鋼柱過程中偏心值達到20mm 時，對結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力及變形分析。

分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為62N/mm2，最大變形值為45mm，均在規(guī)范許可范圍內(nèi)。

3.4 卸載過程計算分析

與滑移過程不同，卸載過程中存在鋼柱的標高不一致的情況，其中，中間軌道鋼柱最大落差為40mm，兩側(cè)軌道鋼柱最大落差為20mm?，F(xiàn)分析結(jié)構(gòu)受力是否滿足設(shè)計要求。

由圖5 可以看出，卸載過程中結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大下?lián)现禐?19mm，119mm＜59000/400=147mm；結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為95.2MPa＜[f]=295MPa，均滿足規(guī)范要求。

3.5 結(jié)論

從屋面結(jié)構(gòu)滑移施工計算結(jié)果得出如下結(jié)論：

1）滑移過程中，Z向位移最大值位于桁架跨中處，是標準值1/5～1/4,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力是標準值1/5～1/4，均滿足GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求；

圖5 桿件應(yīng)力比云圖

2）在施工過程中，增加臨時措施，最終滑移結(jié)構(gòu)最大豎向撓度為54mm，滿足規(guī)范要求；

3）滑移過程中，各累積滑移單元的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力最大為62N/mm2，保證結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)；

4）對滑移細微不同步、軌道不平整等特殊工況進行分析，不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞；

5）依據(jù)支座的最大豎向反力標準值1598.6kN 對滑移支撐架和型梁進行設(shè)計；

6）卸載過程中的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力和最大下?lián)现稻鶟M足規(guī)范要求[4]。

4 結(jié)語

本工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工，共分9 個高空作業(yè)單元進行拼裝滑移，歷時近40d，未出現(xiàn)異常情況，支撐體系的整體性、穩(wěn)定性、剛度、強度均保持良好。它不但保證了工期及整體效益，也對大跨度鋼結(jié)構(gòu)支撐體系安全提供了寶貴的施工經(jīng)驗。應(yīng)用有限元分析屋蓋滑移施工過程，控制控制點在張拉中的變形量，對張拉進行控制，保證張拉過程的順利進行，無需大量拼裝胎架，只需較少數(shù)量的拼裝胎架即可，節(jié)省材料費用；對起重設(shè)備性能要求相對較低，起重設(shè)備投入相對較少，吊裝工作程序簡單；適合建筑物縱向長距離施工，施工順序較為合理，不會引起工期的拖延。該工程的順利進行為大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋滑移施工提供了工程和理論依據(jù)。