大型傘狀懸臂式鋼桁架屋蓋分段施工關(guān)鍵技術(shù)

劉新樂 姬建華 王靜波

中鐵電氣化局集團(tuán)北京建筑工程有限公司 北京 100039

大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在公共建筑領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。目前國內(nèi)的鐵路一等站基本上均采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，其結(jié)構(gòu)形式隨地方文化特色、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和建筑設(shè)計(jì)理念的不同呈現(xiàn)出不同的風(fēng)格。鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的工況與正常使用階段會有所不同，保證施工階段中的主體結(jié)構(gòu)、臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)和吊裝設(shè)備的穩(wěn)定可靠是設(shè)計(jì)與施工需要重點(diǎn)考慮的問題。隨著工程機(jī)械設(shè)備的不斷更新，鋼結(jié)構(gòu)施工可選的工藝方法也更加多樣化。多種工藝配套結(jié)合是大型鋼結(jié)構(gòu)施工方法的一大趨勢，其既可以通過分段采用不同的安裝方法科學(xué)地調(diào)整空間作業(yè)面，優(yōu)化與其他工序的交叉作業(yè)以提高施工效率，又可因地制宜，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約作業(yè)成本。通過合理劃分區(qū)段、分塊安裝，最終卸載合攏，實(shí)現(xiàn)施工階段到正常使用階段的平穩(wěn)過渡，確保工程的質(zhì)量[1-3]。

1 工程概況

新建廣州北站位于廣州市花都區(qū)新華街，東側(cè)緊鄰運(yùn)營中的武廣客專線路，車站采用“高架候車＋線側(cè)站房”的布局方式以及上進(jìn)下出的旅客流線模式，車站地上2層為高架候車層和站臺層，地下1層為出站層。平面尺寸約為186 m×142 m（圖1）。

圖1 新建廣州北站效果圖

車站鋼屋蓋采用主次平面桁架結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)高度33.5 m，最大跨度51 m，最大懸挑長度22.5 m。傘狀結(jié)構(gòu)單元上部包括H型主桁架與圓管網(wǎng)架，通過4根傘狀分叉柱與鑄鋼件連接，鑄鋼件下部由錐形鋼管混凝土柱作為支撐，支撐柱采用變截面鋼管混凝土柱，柱腳為埋入式（圖2）。

2 施工難點(diǎn)及方案選擇

本工程鋼結(jié)構(gòu)跨度大，構(gòu)件自重大、數(shù)量多、空間位置復(fù)雜，現(xiàn)場作業(yè)空間有限，施工安全風(fēng)險(xiǎn)極高。西側(cè)架立3座結(jié)構(gòu)施工用的塔吊；東側(cè)緊鄰既有的武廣客專線路，施工期間高鐵動車組正常通行，為保障高鐵線路運(yùn)營安全，無法使用塔吊、履帶吊等大型吊裝設(shè)備全時(shí)段高空吊裝；中間區(qū)域?yàn)檎痉恐黧w候車大廳層，只能采用塔吊進(jìn)行高空原位吊裝。

圖2 屋蓋單元構(gòu)造節(jié)點(diǎn)

為保證施工按期完成，給地面其他工序留出足夠的作業(yè)空間，同時(shí)確保施工過程的安全穩(wěn)定，防止影響東側(cè)武廣客專線路正常運(yùn)行，考慮場地條件和周邊環(huán)境，將整個(gè)屋蓋分為3塊區(qū)域分別施工。鋼屋蓋施工前，3塊區(qū)域的下部鋼管混凝土柱均已施工完畢（圖3）。

圖3 施工分區(qū)平面

1區(qū)和3區(qū)采用地面拼裝、整體提升的方式進(jìn)行施工，東側(cè)的3區(qū)鄰近運(yùn)營中的武廣客專，地下為后續(xù)將新建的鐵路站臺、軌行區(qū)和一部分候車層（待鋼結(jié)構(gòu)吊裝就位合攏、臨時(shí)支撐拆除后補(bǔ)施）；西側(cè)的1區(qū)鋼屋蓋覆蓋了部分站前廣場，受中間部位塔吊影響，分為南北2片區(qū)域，分別進(jìn)行整體提升后合攏；中間的2區(qū)覆蓋了車站候車大廳，采用TC7052塔吊原位高空散裝，輔以25 t汽車吊站位在候車層樓板配合吊裝?？偟氖┕ろ樞?yàn)橄日w提升1-2區(qū)和1-1區(qū)屋蓋，為3區(qū)屋蓋提升積累經(jīng)驗(yàn)和提升參數(shù)，確保3區(qū)鄰近武廣高鐵提升作業(yè)的絕對安全。1區(qū)提升完畢后進(jìn)行3區(qū)提升，2區(qū)的高空散拼與1區(qū)、3區(qū)整體吊裝作業(yè)同步實(shí)施，最終3個(gè)段合攏形成整體后，卸載1區(qū)和3區(qū)提升力。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 提升吊點(diǎn)設(shè)置

提升點(diǎn)布設(shè)應(yīng)綜合考慮提升過程中提升結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、變形大小和空間干擾情況，需保證架體在提升過程中受力均勻、變形可控及整體穩(wěn)定。

本站房鋼屋蓋結(jié)構(gòu)本身對稱分布，從單元屋蓋結(jié)構(gòu)特征來看，最佳的吊點(diǎn)選取位置即單元屋蓋4組主桁架的幾何中心點(diǎn)，可保證受力均勻?qū)ΨQ，變形最小，又為后續(xù)補(bǔ)裝樹杈柱提供便利，同時(shí)節(jié)省臨時(shí)支撐用量，節(jié)約施工 成本。

以3區(qū)4個(gè)單元屋架整體提升為例，提升區(qū)域尺寸為186 m×45 m，質(zhì)量約1 450 t，共設(shè)置4組提升架，每組提升架由4組格構(gòu)式標(biāo)準(zhǔn)胎架組合而成。標(biāo)準(zhǔn)胎架之間通過連系桿連接成整體，并與已經(jīng)施工完成的鋼管混凝土柱連結(jié)（圖4），確保胎架穩(wěn)定。每個(gè)胎架設(shè)1個(gè)提升點(diǎn)，即1組提升架設(shè)4個(gè)提升點(diǎn)（圖5），共16個(gè)吊點(diǎn)，4個(gè)一組，一字排開，對稱分布。選用YS-SJ-180型穿芯式液壓提升器，將單根直徑17.80 mm的柔性鋼絞線作為承重索具，提升器額定提升能力為1 800 kN。經(jīng)計(jì)算，其中提升點(diǎn)308和310反力最大，為1 285 kN，提升能力滿足要求，受力狀態(tài)合理。

圖5 整體提升吊點(diǎn)布置

圖4 提升架構(gòu)造方式

3.2 提升支撐架設(shè)計(jì)

格構(gòu)式胎架由多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度為4 m，截面尺寸為2 m×2 m；每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)由4根主桿及12根連系桿組成，胎架高度為37 m，承載能力為3 300 kN。

3區(qū)提升架底部為回填土，需設(shè)置混凝土承臺（圖6），承臺尺寸為4 m（長）×4 m（寬）×0.5 m（高）。 1區(qū)提升架底部為站前廣場地下室頂板，為避免荷載直接傳遞到樓板上，需在底部設(shè)置截面為488 mm×300 mm× 11 mm×18 mm的H型鋼分配梁，將支撐架荷載傳遞至結(jié)構(gòu)梁處，并在結(jié)構(gòu)梁下設(shè)置回頂支撐。

提升平臺由格構(gòu)式支撐架、提升梁、短柱節(jié)點(diǎn)、支架連系桿、支架加固桿及水平加固桿等組成，各桿件之間采用焊接連接，焊縫選用熔透焊縫，焊縫等級為一級；加勁板和墊板與桿件采用角焊縫圍焊連接，焊腳尺寸為14 mm。

3.3 提升下吊點(diǎn)設(shè)計(jì)

提升下吊點(diǎn)通過專用吊具與主桁架上弦桿焊接，在上弦桿處設(shè)置節(jié)點(diǎn)板加強(qiáng)，以滿足提升要求（圖7）。節(jié)點(diǎn)板和專用吊具材質(zhì)均為Q345B。

圖6 混凝土承臺示意

圖7 下吊點(diǎn)

3.4 主體結(jié)構(gòu)提升點(diǎn)區(qū)域桿件加強(qiáng)

由于提升下吊點(diǎn)處桁架局部受力過大，故需加大部分桿件截面以滿足受力要求，桁架部分腹桿截面由HW300 mm×300 mm×10 mm×15 mm調(diào)整為HW300 mm× 300 mm×10 mm×25 mm（圖8）。1區(qū)提升方法與3區(qū)相同，區(qū)別之處在于1區(qū)分為南北2片分別整體提升，單次提升質(zhì)量約715 t。支撐胎架在1區(qū)和3區(qū)之間周轉(zhuǎn)使用，有效控制了施工成本。

(8)Thursday’s declaration after their summit in the Chinese resort of Sanya affirms that China,India,Brazil,Russia and news member South Africa will take the lea in the development of humanity.

圖8 局部腹桿加強(qiáng)

3.5 提升原理及施工過程

多個(gè)液壓同步提升器由同一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)同時(shí)操控，確保被提升結(jié)構(gòu)單元的各點(diǎn)同步上升，提升過程中不斷糾偏，達(dá)到結(jié)構(gòu)同步提升。

屋架整體提升施工可分為6個(gè)步驟：

1）提升架及提升設(shè)備定位安裝。提升架基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，即可安裝提升支撐胎架及提升平臺，4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)格構(gòu)式胎架通過標(biāo)準(zhǔn)連系桁架相連，并與鋼管混凝土柱采用φ219 mm×10 mm連系拉桿連結(jié)，形成整體后安裝液壓同步提升系統(tǒng)設(shè)備，包括液壓泵源系統(tǒng)、提升器、傳感器等。

2）提升單元地面拼裝。在屋面結(jié)構(gòu)投影正下方拼裝被提升單元，提升單元拼裝完成后設(shè)置結(jié)構(gòu)下吊點(diǎn)，并在提升上下吊點(diǎn)之間安裝專用鋼絞線。

3）結(jié)構(gòu)試提升。調(diào)試液壓同步提升系統(tǒng)無誤后，按照設(shè)計(jì)荷載的20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%、100%的順序逐級加載。每一步分級加載完畢后暫停并及時(shí)檢查吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)、提升單元等前后變形及主體穩(wěn)定性情況，直至提升單元脫離拼裝平臺。提升單元離地約150 mm后暫停提升。微調(diào)提升單元各個(gè)吊點(diǎn)的標(biāo)高，使其處于水平，靜置12 h。全面檢查吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)、承重體系和提升設(shè)備等，確保無異常。

4）結(jié)構(gòu)正式提升。檢查鋼結(jié)構(gòu)提升單元以及液壓同步提升臨時(shí)措施無異常后進(jìn)行正式提升階段。3區(qū)考慮鄰近運(yùn)營中的武廣客專，需與鐵路運(yùn)營單位協(xié)商。經(jīng)多方檢查無誤，取得施工天窗時(shí)間（一般在晚上，列車暫不通行時(shí)間段內(nèi)）后開始正式提升。提升過程需緩慢進(jìn)行，速度控制為5 m/h，提升高度為30 m。在提升過程中采用全站儀對提升單元上的測量觀測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，確保結(jié)構(gòu)整體安全平穩(wěn)提升。提升至距離設(shè)計(jì)標(biāo)高約200 mm時(shí)，暫停提升，微調(diào)各吊點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)精確提升至設(shè)計(jì)位置。

5）嵌補(bǔ)構(gòu)件安裝。結(jié)構(gòu)提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，對后裝桿件的對接口進(jìn)行復(fù)測，確認(rèn)無誤后，使用汽車吊將樹杈柱吊至嵌補(bǔ)位置進(jìn)行安裝，使提升單元結(jié)構(gòu)形成整體穩(wěn)定受力體系。

3.6 吊裝區(qū)鋼結(jié)構(gòu)施工

2區(qū)鋼屋蓋高空散拼作業(yè)包括樹杈柱和上部鋼屋蓋安裝兩大部分，除1、3區(qū)整體提升階段需要暫時(shí)停歇外，其余時(shí)間段不受1、3區(qū)作業(yè)影響，可同步展開作業(yè)。

樹杈柱質(zhì)量較輕，鑄鋼件安裝完成后，采用塔吊對樹杈柱進(jìn)行吊裝。由于樹杈柱截面尺寸小且向外懸挑長度達(dá)8 m以上，故須在樹杈柱下部設(shè)置臨時(shí)支撐，待樹杈柱頂部連系桁架安裝完畢后，再將臨時(shí)支撐拆除（圖9）。

樹杈柱頂部桁架安裝完成后開始大面積安裝屋蓋結(jié)構(gòu)，屋蓋結(jié)構(gòu)先安裝懸挑主桁架、屋脊桁架，并及時(shí)用橫向次桁架固定，保證側(cè)向及整體穩(wěn)定性，再逐步向外擴(kuò)散安裝其余次桁架固定，直至完成。

圖9 樹杈柱頂部連系桁架吊裝

吊裝區(qū)屋蓋桁架分段后最大質(zhì)量為8.35 t，位于TC7052塔吊40 m吊裝半徑內(nèi)，此范圍塔吊可起吊質(zhì)量為10.30 t，滿足起重工況要求。吊裝區(qū)最遠(yuǎn)端構(gòu)件質(zhì)量7.43 t，位于TC7052塔吊50 m吊裝半徑范圍內(nèi)，此范圍塔吊可起吊質(zhì)量為7.90 t，同樣滿足起重工況要求。

3.7 鋼屋蓋合攏

2區(qū)懸挑主桁架安裝后及時(shí)與1、3區(qū)提升結(jié)構(gòu)直接連接。焊接前對構(gòu)件標(biāo)高及對接口坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核無誤后用臨時(shí)連接板（馬板）固定。合攏時(shí)間應(yīng)為日溫差變化最小時(shí)段。南北方向主桁架兩端同時(shí)吊裝，并根據(jù)施工模擬結(jié)果對接口處進(jìn)行預(yù)起拱處理，減小錯(cuò)邊誤差，確保合攏精度。

圓管次桁架采用地面拼裝、分片吊裝，吊裝順序?yàn)橛芍虚g往懸挑端進(jìn)行。吊裝區(qū)安裝完成形成整體后進(jìn)行卸載，卸載方式采取同步分級卸載。

4 整體提升仿真計(jì)算分析

采用Midas軟件對整個(gè)提升過程進(jìn)行仿真計(jì)算分析，根據(jù)施工方法、荷載和邊界條件，選取提升階段的關(guān)鍵施工過程作為計(jì)算工況，計(jì)算模型如圖10所示。仿真分析用以驗(yàn)證整體提升過程中桁架的應(yīng)力水平、變形分布情況及提升器吊點(diǎn)反力，確保提升施工的安全性，并為提升過程中的監(jiān)控監(jiān)測提供理論依據(jù)。

圖10 仿真分析模型

4.1 提升階段分析

在主體結(jié)構(gòu)提升過程中，結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和變形分布情況分別如圖11、圖12所示。提升時(shí)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比為0.86，小于1.0，結(jié)構(gòu)跨中最大豎向變形為45 mm，與提升點(diǎn)距離約為39 000 mm，為跨度的1/867，小于1/400，桁架結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)度、剛度均滿足施工要求。

圖11 提升過程結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

4.2 提升架應(yīng)力分析

結(jié)構(gòu)提升過程中支撐胎架的應(yīng)力分布和變形分布情況分別如圖13、圖14所示。提升時(shí)，圖中桿件的最大應(yīng)力比為0.70，小于1.0，支架頂部最大水平變形為78 mm，架體高度約為37 000 mm，變形為高度的1/474，小于1/200，滿足施工要求。

圖13 支撐胎架應(yīng)力分布

圖14 支撐胎架水平位移分布

5 結(jié)語

本文提供了一種場地條件有限、周邊環(huán)境復(fù)雜的大型鋼桁架結(jié)構(gòu)屋架的分段施工方法，重點(diǎn)針對鋼桁架整體提升的設(shè)計(jì)、施工及高空拼裝合攏進(jìn)行介紹，并對整體提升進(jìn)行仿真計(jì)算分析，確保提升過程中主體結(jié)構(gòu)及提升設(shè)備處于安全狀態(tài)。實(shí)際施工情況表明，分段采用整體提升和高空拼裝2種工藝相結(jié)合的鋼結(jié)構(gòu)安裝方法，施工工序安排合理，有效提高了施工效率，確保了施工過程安全可控和施工質(zhì)量可靠，順利完成了施工。