站房弧形屋面雙向正交斜放鋼梁安裝技術(shù)研究

白國巖

(中鐵十六局集團電氣化工程有限公司 北京 100018）

1 引言

近年來，大跨度鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于新建新型鐵路站房工程。站房屋面鋼結(jié)構(gòu)一般采用吊裝方法施工，但由于建筑規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、吊裝模塊高空拼裝精度要求高、作業(yè)難度大，因此屋面鋼結(jié)構(gòu)的安裝是站房施工的難點。鄭海波等[1]針對蘭州西站屋蓋管桁架結(jié)構(gòu)吊裝，提出利用BIM技術(shù)建立站房三維模型，從而對每根桁架進行空間定位。張利[2]針對太原南站站房屋面單元體結(jié)構(gòu)吊裝，通過對屋面主桁架采取精確的測量定位，來保證屋面整體的安裝精度。趙娜等[3]研究了站房大跨度雙曲屋面網(wǎng)架分塊拼裝、分塊整體提升、轉(zhuǎn)換吊點安裝等方法；趙宇新、王立省等[4-5]研究了受限空間站房大跨度雙曲屋面網(wǎng)架小單元分塊拼裝施工工藝流程。相關(guān)研究大多針對大型建筑結(jié)構(gòu)屋面的施工方案研究，基本沒有涉及到結(jié)構(gòu)的精密安裝的具體工藝和方法，也沒有考慮結(jié)構(gòu)在施工過程中的變形影響。本文針對新建中衛(wèi)南站站房弧形屋面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝精度要求高、高空拼裝作業(yè)難度大的特點，研究雙向正交斜放鋼梁吊裝單元間及其與拱柱的精密對接技術(shù)。

2 工程概況

新建中衛(wèi)南站是新建吳忠至中衛(wèi)城際鐵路上的一座中型客運站。站房主體建筑一層，長196.1 m，最大建筑高度34 m，建筑面積11 875 m2。為了在造型設(shè)計上突出中衛(wèi)市“沙漠水城”的城市特色，以連續(xù)的箱形截面鋼拱結(jié)構(gòu)模擬著名“沙坡頭”景觀意向，連續(xù)弧形帶狀屋面猶如黃河水流淌于連綿起伏的大漠。如圖1所示。

圖1 站房三維示意

弧形屋面雙向正交斜放鋼梁安裝面積9 072 m2。鋼梁為焊接組合截面，上、下翼緣為Q345圓形鋼管，通過腹板連接，截面高度為1 300 mm。屋面斜梁與鋼拱柱呈45°夾角，采用套管補強節(jié)點側(cè)面連接方式，如圖2所示。

圖2 鋼拱與斜梁連接示意

該工程屋面為曲面結(jié)構(gòu)，需要解決雙向正交斜放鋼梁吊裝單元間及其與拱柱的高空精密對接技術(shù)難題。

3 工藝原理與施工工藝流程

弧形屋面雙向正交斜放鋼梁安裝施工按照“工廠預(yù)拼、散件運輸、現(xiàn)場拼裝、吊裝單元安裝、補間單元吊裝、整體分級同步卸載”的工藝原理進行施工。

考慮起重設(shè)備的能力、斜梁的重量以及吊裝過程中的變形，將屋面斜梁劃分為合理尺寸的單元，再根據(jù)斜梁構(gòu)造特點將單元分割為散件[6]，在工廠制作完成后進行預(yù)拼，檢測合格后將散件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場。

根據(jù)鋼拱柱實測空間位置及屋面設(shè)計高程，采用絕對坐標(biāo)與相對定位相結(jié)合的方法，實現(xiàn)吊裝單元的精準(zhǔn)形位控制，在拼裝胎架上拼裝完畢后進行吊裝。

屋面吊裝時，吊裝單元間預(yù)留補間單元，利用自主研發(fā)的弧形屋面補間鋼梁吊、裝一體化裝置對補間鋼梁進行起吊、移動，并作為精調(diào)及焊接的作業(yè)平臺。

卸載時根據(jù)整體結(jié)構(gòu)特點分區(qū)實施。采用控制位移的方法實現(xiàn)分階段整體分級同步卸載。

施工工藝流程見圖3。

圖3 施工工藝流程

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 施工單元的劃分

為了保證弧形屋面鋼梁間對接精度，降低拼接難度，提高施工效率，將屋面沿垂直于拱軸線方向劃分為吊裝單元和補間單元。吊裝單元在地面拼接成形，用起重設(shè)備整體吊裝。補間單元為吊裝單元間預(yù)留的單元，其寬度為1個梁段長度，在吊裝單元安裝后原位拼裝。

吊裝單元的劃分應(yīng)考慮工程現(xiàn)場起重設(shè)備的能力、屋面曲面形狀、斜梁的構(gòu)造特點，以及單元重量和吊裝過程中的變形。單元劃分應(yīng)盡量對稱劃分。單元重量不能超過起重設(shè)備額定起重量的95%。各單元的大小盡量一致。在屋面斜度較大部位的單元寬度應(yīng)適當(dāng)減小。補間單元預(yù)留位置不宜在大斜度弧形屋面部位[7]。

根據(jù)本工程鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點的劃分方法，吊裝單元寬度劃分為10.5 m，吊裝單元間留有1.5 m的補間單元。

4.2 屋面斜梁與鋼拱柱接口空間位置測設(shè)

鋼拱柱在安裝過程中由于施工誤差、自重、風(fēng)荷載、溫差等作用會與原設(shè)計位置存在偏差，因此在斜梁地面拼裝前，需要重新確定每片屋面斜梁與鋼拱柱實際對接位置。屋面斜梁與鋼拱柱接口位置的精確測設(shè)是保證安裝精度的關(guān)鍵。為保證弧形屋面線形與設(shè)計一致，接口高程采用設(shè)計高程，接口的平面位置在鋼拱柱內(nèi)側(cè)表面。需要分別計算并測設(shè)每根斜梁上下翼緣實際接口的三維坐標(biāo)。方法如下:

計算每根斜梁與拱柱理論接口位置坐標(biāo)(x0，y0，z0），在拱柱側(cè)面測設(shè)出點D1(xG，y0，z0），xG為拱柱側(cè)表面的X坐標(biāo)。如圖4所示。由于拱柱施工完成后實際平面位置與設(shè)計位置存在偏差ΔxG，且斜梁與拱柱成45°或135°夾角，因此實際接口位置D2(xG，y0+ ΔyG，z0）(夾角 45°）或D2(xG，y0- ΔyG，z0）(夾角135°），ΔyG= ΔxG。

圖4 接口位置示意

4.3 吊裝單元現(xiàn)場拼裝

(1）拼裝場地及胎架要求

在施工現(xiàn)場地面進行吊裝單元拼裝。為避免吊裝單元在安裝過程中由于地面不平整或者承載力不夠造成施工偏差或影響拼裝精度，拼裝場地要求整平，并硬化，滿足平整度及承載力要求。在地面搭設(shè)拼裝胎架[8]。搭設(shè)過程中，必須對拼裝胎架的豎向標(biāo)高實時進行沉降位移監(jiān)測，防止由于胎架下沉導(dǎo)致構(gòu)件拼裝變形。

(2）現(xiàn)場拼裝

主梁鋼構(gòu)件制作本身存在弧度，地面拼裝時，用吊車將1根主梁懸吊。從一端開始，根據(jù)斜梁接口實際位置三維坐標(biāo)，在現(xiàn)場用直尺(鋼卷尺）測量調(diào)整到位，在下面搭建工字鋼胎架，將主梁固定。再將主梁兩側(cè)次梁逐段調(diào)整，進行焊接。將1根主梁拼裝好后，依照上述步驟，逐根對主梁進行拼裝，直至整個吊裝單元拼裝結(jié)束。

(3）定位7字板安裝

7字板是安裝在吊裝單元兩端每根斜梁上翼緣處的7字形鋼板，在吊裝單元就位時7字板搭在鋼拱柱頂面，起到支承和精調(diào)標(biāo)高的作用[9]。由于鋼拱柱的變形，鋼拱上表面的高程存在變化，為保證弧形屋面線形與設(shè)計一致，因此各個7字板高度并不同。為了吊裝單元就位后高程的微調(diào)，在每個7字板與拱柱間放置10 mm厚的調(diào)高墊板。從上翼緣實際接口位置垂直向上量取到鋼拱柱內(nèi)側(cè)頂面的鉛垂距離再加調(diào)高墊板厚度10 mm，即為7字板高度H。如圖5所示。

圖5 字板與調(diào)高墊板示意

4.4 臨時支架安裝

臨時支架是吊裝單元就位和調(diào)整的臨時支撐裝置，根據(jù)吊裝單元大小一般布置1～2個，位于吊裝單元中部。臨時支架采用型鋼四肢格構(gòu)柱形式，由2 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成。頂部設(shè)置液壓支座用于與吊裝單元連接及調(diào)整高度。液壓支座由管托、套筒和液壓千斤頂組合而成。

臨時支架應(yīng)隨著吊裝單元的吊裝進度安裝，不宜過早安裝。在安裝臨時支架前，對臨時支架平面位置進行精密測量，確保位置準(zhǔn)確。安裝前對場地進行清理、整平和夯實，必要時鋪設(shè)專用地基箱，使臨時支架與專用地基箱固結(jié)，以保證支架安裝后的地基穩(wěn)定可靠[10]。

臨時支架安裝完畢后，及時安裝纜風(fēng)繩對臨時支架進行穩(wěn)定性拉結(jié)。對臨時支架按1.2倍設(shè)計荷載進行超載預(yù)壓，消除支架及地基的非彈性變形。根據(jù)吊裝單元就位位置(起拱后）設(shè)置液壓支座。

4.5 吊裝單元分片吊裝與精調(diào)

吊裝過程分為試吊與正式提升2個階段。

起重機采用履帶吊或汽車吊，回轉(zhuǎn)半徑和作業(yè)角度結(jié)合施工場地大小及屋面高度確定，起重機最大負(fù)荷不得超過額定起重量的95%。

施工現(xiàn)場的作業(yè)區(qū)及起重機走行道路均要求是回填層并需夯實。局部區(qū)域無法滿足的情況時在履帶或車輪下方鋪設(shè)厚度不小于25 mm的鋼板。

(1）試吊

起吊點的確定。吊點位置應(yīng)盡量選擇關(guān)于吊裝單元重心對稱的節(jié)點位置處，保證各個吊點受力均勻，吊裝單元提升過程的穩(wěn)定，避免吊裝過程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力。吊點位置和數(shù)量要合理，應(yīng)通過計算確定，避免吊裝單元產(chǎn)生過大變形及應(yīng)力。

在吊裝單元吊點處焊接吊耳，焊接完成后檢查其合格性。將鋼絲繩一端繩扣與吊耳間用吊裝卡環(huán)連接，另一端繩扣直接掛在吊鉤鉤頭。

弧形部位吊裝單元應(yīng)根據(jù)傾斜度和弧度調(diào)整鋼絲繩長度，保證單元吊裝過程中斜度不變、吊點受力均勻、吊裝單元提升過程的穩(wěn)定。

吊裝前的準(zhǔn)備工作就緒后，指揮者發(fā)出試吊信號，進行試起吊，吊起高度為200～300 mm時，發(fā)出停止信號，對各吊具的安全性和牢固性進行檢查，檢查焊縫狀況和在自重作用下的變形是否符合設(shè)計要求，保證正式提升的安全。

試吊無誤后，吊裝單元緩慢下降重新置于胎架，確保安置穩(wěn)妥后摘除吊鉤。檢查焊縫狀況和結(jié)構(gòu)變形情況，在滿足設(shè)計要求的情況下即可進行正式提升。

(2）吊裝單元提升、就位

吊裝單元一端固定纜繩，吊至空中后，對角各設(shè)置兩組人員通過纜繩對單元方向、角度進行調(diào)整。將單元由拼裝位置緩慢移至該單元相應(yīng)位置。

(3）吊裝單元精調(diào)

吊裝單元就位后，復(fù)核斜梁標(biāo)高，當(dāng)標(biāo)高不滿足時，通過調(diào)高墊板調(diào)整。校核標(biāo)高并安排焊工對兩端進行臨時固定，確保吊裝單元穩(wěn)定[11]。

通過臨時支架上千斤頂頂升至設(shè)計標(biāo)高(包含起拱高度），調(diào)整到位后進行大面積焊接，焊接完成后進行松鉤，吊裝下一單元。

4.6 補間單元安裝

一個單元吊裝完成后，及時對與上一吊裝單元間的補間單元進行安裝，使屋面盡早形成整體。利用自主研發(fā)的弧形屋面補間鋼梁吊、裝一體化裝置進行吊裝拼接。該裝置包括兩股分別臨時固定于屋面已安裝節(jié)段上的相互平行且可供龍門架及安裝作業(yè)平臺走行的軌道、在軌道上方移動的龍門架、位于弧形屋面下方可移動的安裝作業(yè)平臺和調(diào)節(jié)軌道水平的固定裝置等組成，如圖6所示。

圖6 弧形屋面補間鋼桁架吊、裝一體化裝置示意

在吊裝過程中，具體操作過程如下:

(1）在弧形屋面補間單元兩側(cè)單元上利用固定裝置固定軌道并調(diào)節(jié)軌道水平，架設(shè)龍門架。

(2）將地面組裝好的安裝作業(yè)平臺通過龍門架從補間一端提升至空中，通過軌道移動到屋面安裝作業(yè)平面位置，與軌道結(jié)構(gòu)連接，調(diào)節(jié)作業(yè)平臺到合適高度并固定。

目前很多學(xué)者都認(rèn)為醉酒型危險駕駛犯罪行為的主觀方面應(yīng)該屬于過失，其理由主要為以下兩個方面：首先從我國刑法修正案的相關(guān)規(guī)定可以看出，危險駕駛罪應(yīng)該屬于交通肇事罪的范疇，其犯罪構(gòu)成應(yīng)該和交通肇事罪保持一致，因為在交通肇事罪中其主體的主觀罪過屬于過失，則醉酒型危險駕駛罪也不會例外；其次就實踐中的主觀意識來說，雖然醉酒的駕駛行為人可能會意識到自己的行為會造成一定的危害結(jié)果，是過于自信或疏忽大意，認(rèn)為自己不會或者是沒有想到自己的行為必然會造成危害結(jié)果，而且一般都不會主動希望其結(jié)果的發(fā)生，這應(yīng)該屬于過失犯的主觀意識，因此醉酒型危險駕駛罪應(yīng)該屬于過失犯的范疇。

(3）在屋面單元強度較高的一端設(shè)置吊裝口，單塊屋面補間空缺鋼梁通過龍門架提升至屋面，通過軌道移動龍門架，將鋼梁移至所在位置。

(4）工人在安裝作業(yè)平臺上對單塊鋼梁進行精調(diào)，調(diào)整好位置后，進行臨時固定。

(5）完成作業(yè)平臺范圍內(nèi)初步作業(yè)后，將作業(yè)平臺降至地面，通過龍門架從補間一端提升至空中，通過軌道移動到屋面下一作業(yè)平面位置。

(6）重復(fù)上述步驟逐一吊裝補間其他空缺鋼梁，直至整個弧形屋面補間空缺鋼梁全部吊裝完畢，焊接固定。

4.7 卸載

在屋面斜梁施工完成之后，進行臨時支架卸載。在卸載前所有構(gòu)件、節(jié)點必須全部安裝、焊接完成，并驗收合格。

(1）卸載方案

本工程屋面面積大，臨時支架數(shù)量多，且各臨時支架卸載量相差較大，為了保證卸載過程中每步卸載量相近，使結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)平穩(wěn)過渡，采用“分階段整體分級同步卸載”的方法進行臨時支架卸載。該方法卸載分區(qū)及每級卸載量，需要根據(jù)屋面面積、臨時支架布置情況，結(jié)合屋面斜梁仿真計算進行確定。每個臨時支架的總卸載量根據(jù)臨時支架位置處的屋面斜梁豎向位移求得。由式(1）求得。

式中，δ支架拆除為無支架情況下原臨時支架位置處屋面斜梁的豎向位移(mm）；δ支架未拆為有支架情況下臨時支架位置處屋面斜梁的豎向位移(mm）。

根據(jù)計算結(jié)果，將臨時支架劃分為3個卸載區(qū)，每個區(qū)分5級進行卸載，保證每級卸載都能使屋面斜梁整體變形緩慢，受力均勻，易于控制。

(2）卸載方法

卸載前先計算好支點處斜梁變形量。若卸載點水平位移較大時，在卸載之前利用墊鐵調(diào)整千斤頂垂直度釋放其水平位移[12]。根據(jù)變形量在千斤頂上用水平尺標(biāo)出需下降總行程距離，如變形量超出千斤頂?shù)淖畲笮谐?，則卸載到一定位置時，將屋面臨時固定，更換千斤頂后繼續(xù)卸載。

卸載過程中由施工負(fù)責(zé)人統(tǒng)一指揮，每個支架安排一組操作人員，同時控制千斤頂?shù)幕芈渲担涗浢恳浑A段的撓度值，并對屋面斜梁位移進行測量和監(jiān)控。千斤頂每下降一段行程后檢查所有節(jié)點及支座連接處是否有異常，直至整體結(jié)構(gòu)卸載完成。

5 結(jié)論

該安裝技術(shù)的實施，解決了弧形屋面雙向正交斜放鋼梁安裝精度難以保證的技術(shù)難題。

(1）通過根據(jù)拱柱實測幾何形位進行吊裝單元拼裝，提高了拼裝精度，實現(xiàn)了一次拱柱與斜梁對接成功，減少了斜梁二次加工和調(diào)整等高空工作量，提高了施工效率。

(2）通過設(shè)置補間單元代替吊裝單元間直接拼接，降低了對接難度，減少了人工、機械消耗，保證了施工質(zhì)量。

新建中衛(wèi)南站站房弧形屋面結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和各部位變形和位移均達到了設(shè)計及規(guī)范要求，工程質(zhì)量良好。