大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼件和梭形斜柱逆施工技術(shù)

汪韋韋， 王強(qiáng)

（1. 中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部，北京 100040；2. 中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 地下直徑線工程項(xiàng)目管理部，北京 100045）

0 引言

隨著現(xiàn)代化大型鋼結(jié)構(gòu)建筑的迅速發(fā)展，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)形式獨(dú)特和造型優(yōu)美等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)且越來越復(fù)雜［1-2］。索南等［3］系統(tǒng)總結(jié)并探討了圓形斜柱大跨度中庭空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容，結(jié)合建筑物的造型與受力特點(diǎn)，構(gòu)建空間鋼結(jié)構(gòu)體系，并創(chuàng)建空間整體計(jì)算模型。邢喜旺等［4-6］制定科學(xué)、合理的鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案，用于指導(dǎo)整個(gè)吊裝施工，確定了吊裝施工順序及工藝要求，保證了空間鋼結(jié)構(gòu)桁架的安裝質(zhì)量。徐卓寧［7］針對拱桁架吊裝單元吊點(diǎn)設(shè)計(jì)及其變形進(jìn)行闡述和分析，確定拱桁架鋼結(jié)構(gòu)吊裝的分段位置，在分段位置設(shè)立臨時(shí)支撐架，對其下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，并對臨時(shí)支撐架的受力進(jìn)行分析及檢算，吊裝單元變形滿足安裝要求。

北京朝陽站鋼結(jié)構(gòu)屋蓋管桁架設(shè)計(jì)解決了鋼結(jié)構(gòu)桁架拼裝復(fù)雜、施工進(jìn)度慢、多管相貫口拼裝精度不高、焊接質(zhì)量難以保證等問題。屋蓋管桁架設(shè)計(jì)中用梭形斜柱支撐屋蓋中間部位，以增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、減小結(jié)構(gòu)變形、增加舒適性及安全性。

1 工程概況

北京朝陽站站房總建筑面積18.3萬m2，站臺雨棚面積6.2萬m2，鋼結(jié)構(gòu)總用量約13 000 t。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋管桁架的結(jié)構(gòu)形式獨(dú)特，總體結(jié)構(gòu)造型優(yōu)美、流線型強(qiáng)，中間部位設(shè)置梭形斜柱，梭形斜柱從I-9和I-14軸設(shè)置在高架層9.8 m標(biāo)高混凝土柱頂開始生根，斜度60°。工程典型節(jié)點(diǎn)主要為柱底支座節(jié)點(diǎn)、梭形斜柱鑄鋼節(jié)點(diǎn)、異型鑄鋼節(jié)點(diǎn)、鋼柱與上部屋蓋管桁架連接節(jié)點(diǎn)、管桁架相貫節(jié)點(diǎn)等。鋼結(jié)構(gòu)整體軸側(cè)示意見圖1。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)整體軸側(cè)示意圖

2 主要施工重難點(diǎn)

（1）定位控制復(fù)雜、吊裝難度大。工程鑄鋼件設(shè)計(jì)形狀為V 形、五分叉及梭形斜柱3 種形式，V 形鑄鋼件質(zhì)量為6.7 t，五分叉形鑄鋼件質(zhì)量為13.5 t，梭形斜柱最大質(zhì)量為28.4 t。由于鑄鋼件節(jié)點(diǎn)復(fù)雜、噸位重導(dǎo)致定位加固困難、吊裝施工難度大、不易控制，鑄鋼件精確定位決定整個(gè)拼裝單元以及提升后與梭形斜柱連接的準(zhǔn)確性。V 形鑄鋼件安裝在KLQZ 系列球形鋼支座上，傾斜角度（60°）較大，鑄鋼件吊裝完成后，臨時(shí)固定難度大，難以保證其穩(wěn)定性。梭形斜柱安裝在異形鑄鋼件上要求精度高，連接角度控制將直接影響屋蓋管桁架合攏的精度。場地狹小、空間受限，吊裝難度大，如何進(jìn)行鑄鋼件、梭形斜柱的吊裝和對接是整個(gè)安裝過程的難點(diǎn)。梭形斜柱與鑄鋼件關(guān)系示意見圖2。

圖2 梭形斜柱與鑄鋼件關(guān)系示意圖

（2）焊接質(zhì)量要求高、作業(yè)難度大。梭形斜柱材質(zhì)為Q345GJC-Z15，鑄鋼件材質(zhì)為G20Mn5QT，不同材質(zhì)焊接難度大，鑄鋼節(jié)點(diǎn)及與其連接的構(gòu)件均為厚板，球形鋼支座焊接處最大厚度117 mm，焊接熔敷量大、殘余應(yīng)力大。球形支座是連接結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和梭形斜柱的關(guān)鍵部位，而鑄鋼節(jié)點(diǎn)是連接屋蓋桁架管與梭形斜柱的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為確保安裝后有可靠的受力和傳力，必須嚴(yán)格控制鑄鋼節(jié)點(diǎn)和球形鋼支座的焊接質(zhì)量。

3 安裝方案及技術(shù)措施

3.1 安裝方案

北京朝陽站鋼結(jié)構(gòu)屋蓋管桁架制作及現(xiàn)場安裝難度大，具有大跨度、大懸挑、大截面及大噸位的特點(diǎn)，交叉施工多、風(fēng)險(xiǎn)大。若采用傳統(tǒng)順施工，先進(jìn)行梭形斜柱與柱底的球形支座、鑄鋼件安裝，后進(jìn)行桁架管與梭形斜柱對接合攏安裝施工。按照傳統(tǒng)順施工，超長超重梭形斜柱頂部無安全可靠固定措施，安裝精度偏差較大；同時(shí)屋蓋桁架在地面拼接組裝與梭形斜柱部位重疊需要占據(jù)大量空間，導(dǎo)致梭形斜柱部位的屋蓋桁架需要預(yù)留大部分管構(gòu)件不能進(jìn)行同步拼裝，需要后期在高空散拼作業(yè)，存在高空組裝難度大、工期長、費(fèi)用高、風(fēng)險(xiǎn)大等不利因素。順施工示意見圖3，先進(jìn)行梭形斜柱與柱底的球形支座、鑄鋼件安裝施工，接著在主體結(jié)構(gòu)地面進(jìn)行屋蓋管桁架拼接組裝，最后把屋蓋桁架整體提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高與梭形斜柱進(jìn)行對接合攏。

屋蓋在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中根據(jù)“所有構(gòu)件盡量采用地面拼裝焊接”的原則，并結(jié)合現(xiàn)場場地、汽車吊噸位情況，為減少桁架分段、節(jié)省工期、提高大型機(jī)械工作效率、減少高空焊接作業(yè)量，采用逆施工方案。

3.1.1 逆施工方案

逆施工是先進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)屋蓋管桁架頂部施工，后進(jìn)行梭形斜柱與柱頂、柱底的鑄鋼件合攏安裝。梭形斜柱連接上部帶有關(guān)節(jié)軸承的異形鑄鋼件和下部的V形鑄鋼件，梭形斜柱采用臨時(shí)支撐固定校正，進(jìn)行鑄鋼件和梭形斜柱的焊接，焊后對梭形斜柱的焊縫進(jìn)行探傷，待其合格后方可進(jìn)行吊裝。

3.1.2 逆施工優(yōu)點(diǎn)

（1）解決了雙向雙傾斜梭形斜柱提前安裝無法固定連接的難題。

（2）避免了整體桁架與梭形斜柱之間整體對接局部的難題。

（3）減少了高空組裝量、焊接量及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

（4）解決了梭形斜柱與整體桁架安裝誤差不易控制的難題，因屋蓋管桁架為帶有關(guān)節(jié)軸承的可調(diào)鑄鋼件，逆向安裝有利于梭形斜柱與鑄鋼件對接組裝。

（5）解決了梭形斜柱分段高空組裝誤差大的難題。

（6）保證了梭形斜柱整體吊裝精度，梭形斜柱頂部為帶鉸接的鑄鋼件，便于與下部球形支座對接組裝，大大節(jié)約了工期。

3.1.3 逆施工安裝順序

屋蓋管桁架的梭形斜柱支撐整體安裝順序如下：混凝土梭形斜柱墩放線→鋼筋綁扎→鋼模板安裝→球形支座埋件放線定位安裝→混凝土澆筑→放線定位→球形支座安裝→V形鑄鋼件安裝→梭形斜柱安裝→標(biāo)高調(diào)整、軸線符合→組合定位→焊接固定。逆施工安裝示意見圖4，異形鑄鋼件示意見圖5。圖4 中吊耳、限位板為梭形斜柱和球形支座的輔助吊裝固定措施；銷軸為異形鑄鋼件的可調(diào)節(jié)連接件，主要用來連接異形鑄鋼件和梭形斜柱。

圖4 逆施工示意圖

圖5 異形鑄鋼件示意圖

（1）異形鑄鋼節(jié)點(diǎn)測量分平面、高程控制2 個(gè)部分，鑄鋼件和球形支座吊裝前，用高精度全站儀在梭形斜柱頂上側(cè)放出軸線的中心線，并將標(biāo)高控制點(diǎn)引至柱頂，測量精度需符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。異形鑄鋼件吊裝前，結(jié)合模型將坐標(biāo)位置定位，鑄鋼件體積大、重量大、分支多、節(jié)點(diǎn)受力大，最大壓力8 181 kN，整個(gè)屋蓋管桁架拼裝完成后整體提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高，便于后續(xù)V 形鑄鋼件和梭形斜柱吊裝。異形鑄鋼件吊裝見圖6。

（2）工程梭形斜柱柱底設(shè)計(jì)采用KLQZ系列球形鋼支座，最大豎向承載力為17 500 kN，安裝在梭形斜柱墩提前植入的預(yù)埋件當(dāng)中。V 形鑄鋼件吊裝焊接在KLQZ 系列球形鋼支座上，具有承載力大、傳力可靠、轉(zhuǎn)動靈活、轉(zhuǎn)角大等特點(diǎn)，而且能夠減輕因地震力、梁端配重和離心力、橫向搖擺力、橫向風(fēng)力等產(chǎn)生的豎向拉力和橫向剪切力，還能夠可靠地解決梭形斜柱安裝等問題，使梭形斜柱的受力和變位更趨向穩(wěn)定，從而延長梭形斜柱的使用壽命。將梭形斜柱柱底組合拼裝焊接后形成整體，然后采用汽車吊進(jìn)行整體吊裝就位。

圖6 異形鑄鋼件吊裝

3.2 作業(yè)吊車選擇

（1）五分叉鑄鋼件質(zhì)量為13.50 t；V形鑄鋼件質(zhì)量為6.70 t；球形支座質(zhì)量為0.87 t；梭形斜柱最大質(zhì)量為28.40 t，長度為19 m，吊裝高度約為28.7 m，梭形斜柱的截面規(guī)格為900 mm×45 mm 和1 300 mm×45 mm。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況和軟件模擬，異形鑄鋼件和V 形鑄鋼件采用單臺汽車吊直接吊裝到位；由于梭形斜柱質(zhì)量較大，經(jīng)驗(yàn)算現(xiàn)場采用單臺50 t 汽車吊無法滿足要求，故梭形斜柱采用2臺吊車同步抬吊。

針對2臺吊車同步抬吊進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q主為主吊車起重質(zhì)量，t；Q副為副吊車起重質(zhì)量，t；Q1為最重梭形斜柱自質(zhì)量，Q1=28.4 t；Q2為索具質(zhì)量，Q2＝2 t；K為起重機(jī)降低系數(shù)，K=0.8。

可得：

（2）起重高度計(jì)算：

式中：H為起重高度，m；H1為安裝支座表面高度，m；H2為安裝間隙，一般取0.2～0.3 m；H3為綁扎點(diǎn)至構(gòu)件起吊后底面的距離，m；H4為索具高度，m。

梭形斜柱上端汽車吊：取H1＝4.0 m，H2＝0.2 m，H3＝18.6 m，H4＝2.0 m。選用起重機(jī)的起重高度H≥24.8 m，起重高度取25.0 m。

梭形斜柱下端汽車吊：取H1＝4.0 m，H2＝0.2 m，H3＝2.2 m，H4＝1.8 m。選用起重機(jī)的起重高度H≥8.2 m，起重高度取9.0 m。

（3）起重臂長度：

式中：L為起重臂長度，m；H為起重高度，m；h0為起重臂頂至吊鉤底面的距離，m；h 為起重臂底鉸至停機(jī)面距離，m；α為起重臂仰角，工程取α=60°。

梭形斜柱上端汽車吊：取H＝25.0 m，h0＝3.8 m，h＝1.6 m，因此起重臂長度L≥（25+3.8-1.6）/sin（60°）＝31.2 m；工作半徑取9.0 m。

梭形斜柱下端汽車吊：取H＝9.0 m，h0＝5.6 m，h＝1.6 m，因此起重臂長度L≥（9+5.6-1.6）/sin（60°）＝15.0 m；工作半徑取9.0 m。

（4）綜合考慮上述關(guān)于吊車起重計(jì)算，并參考吊車性能參數(shù)，選用1 臺80 t 汽車吊吊裝梭形斜柱上端對接異形鑄鋼件和1 臺50 t 汽車吊吊裝梭形斜柱下端可以滿足施工要求（見圖7）。

圖7 梭形斜柱整體抬吊

根據(jù)GB 50755—2012 《鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》4.2.7 要求（對吊裝狀態(tài)的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)單元，宜進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性和變形驗(yàn)算，動力系數(shù)宜取1.1～1.4），用有限元軟件Midas Gen 對北京朝陽站梭形斜柱雙機(jī)抬吊工況下進(jìn)行吊裝驗(yàn)算，驗(yàn)算時(shí)吊裝動力系數(shù)為1.2，驗(yàn)算結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 梭形斜柱整體位移圖

圖9 梭形斜柱組合應(yīng)力圖

在吊裝過程中，梭形斜柱整體位移3.58 mm，吊裝鋼絲繩位移2.72 mm，則梭形斜柱絕對變形（3.58-2.72）mm ＝0.86 mm，最大組合應(yīng)力為6.68 MPa，均滿足規(guī)范要求。梭形斜柱吊裝見圖10。

3.3 焊接

異形鑄鋼件材質(zhì)為G20Mn5QT，鋼管材質(zhì)為Q345C，鑄鋼件與不同壁厚鋼管對接完成后進(jìn)行焊接，采用45°坡口的墊板，放置在薄壁鋼管位置，可避免鑄鋼件與鋼管不等厚焊接時(shí)焊縫截面突變導(dǎo)致焊縫探傷不合格的問題，并且使鑄鋼件與鋼管可以較平緩過渡，有效改善焊接接頭性能，減小焊縫的應(yīng)力集中。

球形支座和V 形鑄鋼件的材質(zhì)分別為ZG20Mn+06Cr17Ni12Mo2 和G20Mn5QT， 梭 形 斜 柱 材 質(zhì) 為Q345GJC。球形支座與V 形鑄鋼件焊接、V 形鑄鋼件與梭形斜柱焊接，兩者均為不同材質(zhì)焊接，而且涉及冬季施工，均為Ⅰ級焊縫。因此要采取焊前預(yù)熱、焊時(shí)防風(fēng)、焊后保溫的保護(hù)措施，以減少冬季寒冷對焊接造成的影響。長焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，采用雙人雙機(jī)的對稱焊接方法，可有效減少因單面焊接造成的應(yīng)力變形，加快焊接進(jìn)度，減少因焊接量巨大時(shí)多次預(yù)熱對焊縫的損傷［8-11］，V形鑄鋼件焊接操作見圖11。

圖11 V形鑄鋼件焊接操作

4 結(jié)束語

北京朝陽站站房工程鋼結(jié)構(gòu)屋蓋管桁架經(jīng)過深化設(shè)計(jì)使用了86 個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)，32 根梭形斜柱。工程存在異形鑄鋼件精確定位、梭形斜柱吊裝及高空厚板構(gòu)件焊接等重大難題，在施工過程中采取合理利用空間逆向施工，事先策劃結(jié)合軟件模擬，通過多角度定位測控、抬吊、低溫對稱焊等技術(shù)措施，有效解決了狹小場地空間下大型鑄鋼節(jié)點(diǎn)、梭形斜柱的安裝難題，大大縮短了施工周期，節(jié)約了大量成本。采取上述措施、方法可為類似大型鑄鋼節(jié)點(diǎn)和梭形斜柱安裝的建筑施工提供參考和借鑒。