杭州西站站房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工技術(shù)

張翔宇，崔 強(qiáng)，朱文康，朱樹成，桂 斌

(江蘇滬寧鋼機(jī)股份有限公司，江蘇 宜興 214231)

1 工程概況

杭州西站主要包括站房區(qū)、雨棚區(qū)及連接附屬結(jié)構(gòu)，其中站房區(qū)鋼結(jié)構(gòu)主要包括候車層鋼骨梁柱、夾層鋼結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)屋蓋等部分。站房主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架體系，其中鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用正放四角錐網(wǎng)架+正交正放桁架組成大跨度空間結(jié)構(gòu)體系。

站房屋蓋平面尺寸為325.7m×245m，最大跨度為78m，屋蓋主體結(jié)構(gòu)采用梭形鋼管柱作為支撐體系，鋼管柱材質(zhì)為Q345，Q420，采光頂區(qū)域采用正交雙向平面桁架，有吊頂區(qū)域采用斜放四角錐網(wǎng)架，采光頂桁架延伸至支撐柱頭，形成網(wǎng)架內(nèi)“暗桁架”連接，屋蓋網(wǎng)架中心豎直方向具有弧度，呈拱起狀，屋蓋最大標(biāo)高55.237m，最小標(biāo)高37.070m，相對(duì)高差最大達(dá)18.167m。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)區(qū)桿件均為圓鋼管，桁架結(jié)構(gòu)區(qū)弦桿主要使用矩形管及少量圓鋼管，材質(zhì)均為Q355B，杭州西站站房整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 杭州西站整體結(jié)構(gòu)

2 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋安裝方案

鋼結(jié)構(gòu)施工部分為南區(qū)屋蓋，平面投影尺寸為159m×245m，綜合考慮屋蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及機(jī)械安裝便利性，為降低施工難度，提高施工精度、安全性及經(jīng)濟(jì)性，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用樓面拼裝+分區(qū)旋轉(zhuǎn)+合龍整體提升的方法安裝，屋蓋南側(cè)懸挑網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用吊裝方法安裝。

2.1 提升區(qū)劃分

根據(jù)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將屋蓋分成3個(gè)提升區(qū)，首先使用25t汽車式起重機(jī)在候車層進(jìn)行拼裝作業(yè)，為降低拼裝成本，將各分區(qū)屋蓋進(jìn)行旋轉(zhuǎn)合龍。屋蓋施工分區(qū)劃分如圖2所示。

圖2 屋蓋施工分區(qū)劃分

2.2 提升方案

安裝工作需混凝土樓面提供作業(yè)面，以供拼裝作業(yè)使用，故結(jié)合土建結(jié)構(gòu)作業(yè)面交接順序，提升順序?yàn)椋禾嵘?區(qū)旋轉(zhuǎn)定位→提升2，3區(qū)旋轉(zhuǎn)定位→各分區(qū)合龍后整體提升至標(biāo)高。

由于屋蓋中間部分拱起、四角降低的特殊造型，為保證施工安全，降低拼裝高度，保證施工可操作性，先將提升1區(qū)繞軸1—1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)3°(見圖3)，繼而在混凝土樓面板進(jìn)行拼裝工作。待拼裝完成，先整體提升0.5m，軸部分結(jié)構(gòu)保持不動(dòng)，其他部分提升點(diǎn)分步提升，最后提升1區(qū)屋蓋旋轉(zhuǎn)至原設(shè)計(jì)角度(見圖4)。

圖3 提升1區(qū)旋轉(zhuǎn)軸示意

圖4 提升1區(qū)旋轉(zhuǎn)示意

與提升1區(qū)類似，將提升2區(qū)(3區(qū))通過(guò)旋轉(zhuǎn)、拼裝、分步提升的方法安裝到位。首先，繞1—1，2—2軸分別逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)3.08°和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)2.37°(見圖5)；其次，在高架層混凝土樓面拼裝；繼而整體提升0.5m，軸與⑨軸相交處結(jié)構(gòu)保持不動(dòng)，其他部分提升點(diǎn)分步提升；最后提升2區(qū)(3區(qū))屋蓋旋轉(zhuǎn)至原設(shè)計(jì)角度(見圖6)。

圖5 提升2區(qū)(3區(qū))旋轉(zhuǎn)軸示意

圖6 提升2區(qū)(3區(qū))旋轉(zhuǎn)示意

當(dāng)提升分區(qū)旋轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)角度后，提升1區(qū)繼續(xù)提升，直至達(dá)到與2，3區(qū)的對(duì)接標(biāo)高，安裝嵌補(bǔ)桿件，進(jìn)行分區(qū)合龍工作，最后3區(qū)整體提升10.625m達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋提升區(qū)作業(yè)最終完成。提升各階段分區(qū)立面如圖7所示。

圖7 提升各階段分區(qū)立面

2.3 提升架布置與設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋不同施工節(jié)段的提升工作，共布置4種提升點(diǎn)、54個(gè)提升位置，其中提升點(diǎn)類型1共34個(gè)、類型2共6個(gè)、類型3共10個(gè)、類型4共4個(gè)。

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在提升作業(yè)的各階段，提升架受構(gòu)件自重影響產(chǎn)生巨大反力。通常結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及提升點(diǎn)位置，將提升架與結(jié)構(gòu)柱相連，便于將反力傳遞給結(jié)構(gòu)柱，進(jìn)而抵抗提升反力。提升架間通過(guò)圓管相連，以提高提升架整體穩(wěn)定性，提升架頂部設(shè)置轉(zhuǎn)換梁，轉(zhuǎn)換梁上部設(shè)有提升梁，在提升過(guò)程中，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的自重荷載由鋼絞線傳遞至提升梁，再傳遞至轉(zhuǎn)換梁，最后傳遞至底部支撐結(jié)構(gòu)。

提升點(diǎn)類型1，2即采用主體結(jié)構(gòu)本身鋼柱作為提升架的支撐結(jié)構(gòu)。而提升點(diǎn)類型3，4則采用設(shè)置立管支撐方式實(shí)現(xiàn)荷載傳遞，立管采用φ609×8，φ800×10圓鋼管。提升架結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。

圖8 提升點(diǎn)類型大樣

3 鋼結(jié)構(gòu)卸載方案

3.1 卸載重難點(diǎn)分析

本工程屋蓋面積大、跨度大、柱少，屋蓋結(jié)構(gòu)內(nèi)部桿件受力復(fù)雜，在卸載過(guò)程中，局部的受力變化將對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力情況產(chǎn)生巨大影響，為保證桁架整體穩(wěn)定性和承載性，在此卸載過(guò)程中，屋蓋不可產(chǎn)生塑性變形及應(yīng)力。本工程中，提升點(diǎn)共54個(gè)，即卸載點(diǎn)為54個(gè)，卸載點(diǎn)數(shù)量將明顯影響到卸載過(guò)程的安全性、主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，故對(duì)卸載系統(tǒng)的同步控制性具有極高要求。

3.2 卸載原則及順序

結(jié)構(gòu)內(nèi)力在卸載過(guò)程中產(chǎn)生復(fù)雜變化，主體結(jié)構(gòu)與支架間由相互傳力狀態(tài)逐步過(guò)渡為相互獨(dú)立狀態(tài)，支架由初始的承載主體自重狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)荷狀態(tài)，主體結(jié)構(gòu)則由初始的支撐受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂墒芰顟B(tài)，其桿件內(nèi)力發(fā)生巨大變化。為保證卸載過(guò)程順利進(jìn)行，卸載需同時(shí)做到均衡、協(xié)調(diào)、緩和。本工程遵循分區(qū)分批、分級(jí)同步、均衡緩慢、變形協(xié)調(diào)的原則進(jìn)行卸載。

本工程分上、下2個(gè)標(biāo)段，2個(gè)標(biāo)段相鄰提升點(diǎn)24，25應(yīng)待2個(gè)標(biāo)段屋蓋完全提升到位后方可進(jìn)行卸載，避免結(jié)構(gòu)因施工不同步產(chǎn)生內(nèi)力。單個(gè)標(biāo)段卸載分3批進(jìn)行，先兩側(cè)對(duì)稱卸載提升點(diǎn)1～20，再卸載中部天窗區(qū)域；然后對(duì)稱卸載提升點(diǎn)21～23；最后先校對(duì)與另一標(biāo)段相連處桁架標(biāo)高是否到位，待校對(duì)無(wú)誤后，對(duì)稱卸載提升點(diǎn)24，25。整個(gè)卸載過(guò)程中，嚴(yán)格遵守卸載的對(duì)稱性及同一批次提升點(diǎn)同步性原則。卸載點(diǎn)布置如圖9所示。

圖9 卸載點(diǎn)布置

利用提升支撐架頂部提升油缸系統(tǒng)逐級(jí)減小荷載的方式進(jìn)行卸載，通過(guò)對(duì)講機(jī)統(tǒng)一指揮進(jìn)行同步卸載操作，應(yīng)根據(jù)施工全過(guò)程模擬計(jì)算最大變形值得出相應(yīng)的卸載每級(jí)控制量，卸載每級(jí)控制應(yīng)為最大變形值的10%，30%，50%，70%，90%，100%。在卸載過(guò)程中，設(shè)置專員密切監(jiān)測(cè)并記錄變形控制點(diǎn)的位移量，卸載過(guò)程中出現(xiàn)實(shí)測(cè)值與理論值有較大偏差時(shí)應(yīng)停止卸載，會(huì)同各相關(guān)參建單位查出偏差原因，并通過(guò)單點(diǎn)油缸調(diào)節(jié)就位后繼續(xù)進(jìn)行。

4 施工全過(guò)程數(shù)值模擬分析

對(duì)于跨度大的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，施工工況不同極大地影響了構(gòu)件內(nèi)力與變形，不同安裝順序也對(duì)構(gòu)件內(nèi)部受力有顯著影響。為保證施工過(guò)程安全，需對(duì)杭州西站站房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進(jìn)行施工過(guò)程仿真模擬分析。根據(jù)實(shí)際施工安裝順序，通過(guò)3D3S有限元分析軟件，計(jì)算并分析鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在各安裝過(guò)程中的位移及應(yīng)力變化情況(見圖10)。

圖10 典型工況下鋼屋蓋結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力比

為確保施工安全，方便提前做好預(yù)防工作，有必要分析提升架各階段的受力情況，找出在提升過(guò)程中的最不利狀況。鋼屋蓋旋轉(zhuǎn)過(guò)程中提升鋼絞線與立柱有微小角度產(chǎn)生水平力，隨著旋轉(zhuǎn)施工進(jìn)行，角度逐漸趨于0°，施工模擬分析時(shí)按實(shí)際剛提升時(shí)最大角度對(duì)提升架進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)算提升架在水平和豎向荷載共同作用下結(jié)構(gòu)承載力，該工況為提升2區(qū)、3區(qū)翻轉(zhuǎn)前工況。各提升分區(qū)及其對(duì)應(yīng)提升架在提升過(guò)程中模擬結(jié)果如表1所示。

表1 各分塊提升的模擬計(jì)算結(jié)果

通過(guò)MIDAS Gen分析發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在提升吊裝過(guò)程中，最大變形位移為72mm，結(jié)構(gòu)應(yīng)力比最大為0.779；提升架最大變形位移為25mm，結(jié)構(gòu)應(yīng)力比最大為0.662，均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明整個(gè)施工方案具有合理可行性。

5 全過(guò)程變形控制研究

屋蓋采用空間曲面結(jié)構(gòu)，對(duì)曲面屋蓋結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位豎向位移的全過(guò)程監(jiān)控是施工安全控制的重要措施。監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置在屋蓋桁架懸挑外側(cè)和中部提升吊點(diǎn)跨中處，監(jiān)控屋蓋結(jié)構(gòu)最大豎向變形，監(jiān)控點(diǎn)布置如圖11所示。為方便測(cè)量，采用反射貼片(40mm×40mm)輔助測(cè)量，將貼片設(shè)置在下弦鋼管側(cè)面，通過(guò)高精度全站儀進(jìn)行變形數(shù)據(jù)采集。屋蓋在提升、安裝嵌補(bǔ)桿件、提升架卸載前后對(duì)理論計(jì)算變形值與實(shí)測(cè)變形值進(jìn)行對(duì)比，本文選取典型檢測(cè)點(diǎn)P1，P2，如圖11所示。

圖11 變形監(jiān)控點(diǎn)布置

由圖12可知，實(shí)測(cè)監(jiān)控點(diǎn)變形最大值在中部天窗位置，最大變形值為79mm，這與結(jié)構(gòu)中天窗位置跨度較大有關(guān)，結(jié)構(gòu)天窗桁架較兩側(cè)小，因此中部天窗結(jié)構(gòu)變形較大。

圖12 監(jiān)控點(diǎn)P1，P2變形理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

首先介紹了杭州西站站房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其次根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定了施工安裝方案和卸載方案，詳細(xì)介紹了鋼結(jié)構(gòu)屋蓋提升過(guò)程、提升架設(shè)計(jì)及布置，合理的提升方案大大減少了拼裝胎架數(shù)量，體現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。最后結(jié)合實(shí)際工程情況，采用MIDAS GEN有限元分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)在提升過(guò)程中的受力情況進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的提升及卸載方案在滿足可行性和安全性的同時(shí)，具備良好的經(jīng)濟(jì)性。