大型鐵路站房復(fù)雜環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)吊裝施工技術(shù)*

楊振龍，許 慧，馮昊楠，姜 蘇，郭 祺，高春源，王 磊，孫 巖

(1.中鐵建工集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.中國(guó)二十二冶集團(tuán)有限公司，河北 唐山 063000)

1 工程概況

北京豐臺(tái)站改建工程總建筑面積40萬(wàn)m2，屋頂?shù)淖畲笸队伴L(zhǎng)度為516m，寬度為346m，總鋼結(jié)構(gòu)用量約20萬(wàn)t。中央站房主體及東西站房均采用框架結(jié)構(gòu)體系，框架柱均為田字形或口字形鋼管混凝土柱，框架梁在-2.500m層、9.800m層、20.500m層采用勁性鋼骨混凝土梁，最大跨度為41.5m，屋面高度為33.5m。

2 復(fù)雜環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵問題

1)由于站房面積大，鋼筋、模板、支撐體系用量多，需大量塔式起重機(jī)配合垂直運(yùn)輸施工，造成重型塔式起重機(jī)數(shù)量少，且鋼結(jié)構(gòu)吊裝作業(yè)時(shí)利用重型塔式起重機(jī)的時(shí)間相對(duì)減少，不滿足鋼結(jié)構(gòu)施工工期。為解決交叉施工的問題，設(shè)計(jì)了裝配式棧橋，利用履帶式起重機(jī)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)吊裝。

2)首節(jié)鋼柱從橫向狀態(tài)吊至豎向狀態(tài)過程中，鋼柱與地面會(huì)逐步分離從而產(chǎn)生瞬時(shí)力，該力會(huì)對(duì)起重機(jī)造成安全隱患，因此研究設(shè)計(jì)了鋼柱安裝緩沖裝置，保證起重機(jī)在吊裝過程中的安全性能。由于鋼柱噸位大，鋼柱安裝就位后，標(biāo)高調(diào)整非常困難，通常利用塔式起重機(jī)多次調(diào)整，校正無(wú)誤后脫離塔式起重機(jī)，傳統(tǒng)方法既占用塔式起重機(jī)工作時(shí)間，又存在安全隱患，因此研究設(shè)計(jì)了重型鋼柱校正裝置。在上部鋼柱脫離地面前，始終會(huì)有一條邊緊貼地面，上部鋼柱下口有焊接襯板，使鋼柱質(zhì)量壓在襯板上，造成襯板的破壞，對(duì)后期鋼柱對(duì)接焊接造成質(zhì)量隱患，因此研究設(shè)計(jì)了鋼柱襯板保護(hù)裝置。

3)鋼柱材料全部采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，板厚50～100mm，且鋼柱截面較大，焊縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，最長(zhǎng)焊縫長(zhǎng)2 200mm，鋼柱焊接難度較大，且現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)歷2個(gè)冬期和雨期施工，若不針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的焊接工藝評(píng)定，則無(wú)法保證現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量，焊接合格率會(huì)嚴(yán)重降低，因此現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的焊接工藝評(píng)定，可覆蓋現(xiàn)場(chǎng)所有焊接形式。

4)鋼柱牛腿等懸挑結(jié)構(gòu)安裝、鋼柱牛腿與鋼梁對(duì)接均為高空作業(yè)，施工危險(xiǎn)性較高，操作空間有限，無(wú)法保證焊接質(zhì)量。針對(duì)上述問題，研究設(shè)計(jì)了專用掛籃。

5)由于現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件需求量大、工期要求緊，因此對(duì)構(gòu)件的加工制作、存放場(chǎng)地、預(yù)拼裝、運(yùn)輸物流信息等的管理尤為重要，若無(wú)法準(zhǔn)確掌握各構(gòu)件的上述狀態(tài)，則會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)施工協(xié)調(diào)及管理帶來(lái)極大困難，在構(gòu)件安裝時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確找到相應(yīng)構(gòu)件，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)管理混亂。

3 裝配式棧橋施工

大型履帶式起重機(jī)吊裝行走通道采用裝配式棧橋結(jié)構(gòu)。棧橋采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)制作，高約2.5m，寬2m，長(zhǎng)度方向每9m為1個(gè)單元(見圖1)。每個(gè)獨(dú)立單元包括H型鋼立柱、H型鋼頂部鋼梁框架、柱間支撐和路基箱。立柱采用HW350×350×12×19制作成4個(gè)門型鋼架，門型鋼架間距為3m，左右兩側(cè)4根立柱通過柱間支撐連接固定，柱間支撐采用[25a制作。棧橋頂部通過頂部框架固接為一體，頂部框架采用HW350×350×12×19制作。頂部框架與門形立柱、柱間支撐與門形立柱均采用高強(qiáng)螺栓連接，方便安裝和拆卸。兩側(cè)棧橋間距根據(jù)大型履帶式起重機(jī)的履帶間距d調(diào)整。

圖1 裝配式棧橋

由于基礎(chǔ)施工完畢后，起重機(jī)無(wú)法行駛到基礎(chǔ)頂部進(jìn)行吊裝，因此裝配式棧橋利用現(xiàn)場(chǎng)布置的塔式起重機(jī)進(jìn)行安裝。首先將門形立柱擺放到基礎(chǔ)頂面，間距調(diào)整好后，安裝門形立柱間的柱間支撐，將門形立柱連成框架形成穩(wěn)定體系；然后吊裝頂部框架，將4根門形立柱固接在一起，形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的棧橋單元，所有結(jié)構(gòu)通過高強(qiáng)螺栓連接。在棧橋頂部框架上方鋪設(shè)預(yù)制好的路基箱，路基箱的長(zhǎng)度和寬度與棧橋單元相同；在棧橋端部焊接擋板，防止路基箱與棧橋間發(fā)生滑動(dòng)。

履帶式起重機(jī)通過坡道橋直接行駛至棧橋上進(jìn)行吊裝作業(yè)。坡道橋采用I20制作，坡度為1∶8，長(zhǎng)16m，如圖2所示。為了運(yùn)輸和安裝、拆卸方便，坡道橋分2段制作并運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)安裝。坡道橋上表面需鋪1層12mm厚鋼板。為防止履帶式起重機(jī)在行駛過程中下滑，需在鋼板面焊接φ12鋼筋作為防滑措施。

圖2 坡道橋

棧橋結(jié)構(gòu)安裝完畢后，履帶式起重機(jī)可直接行駛至棧橋上進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)吊裝。可使大型履帶式起重機(jī)避開基礎(chǔ)頂面混凝土結(jié)構(gòu)甩出的鋼筋，保證鋼結(jié)構(gòu)的順利吊裝?，F(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際情況鋪設(shè)通道和履帶式起重機(jī)的回轉(zhuǎn)平臺(tái)，避開已施工的混凝土結(jié)構(gòu)。

4 鋼柱安裝緩沖裝置和矯正裝置

首節(jié)鋼柱起吊前，在鋼柱底板位置設(shè)置1個(gè)起吊緩沖裝置(見圖3)，該緩沖裝置采用HW200×200×8×12制作，轉(zhuǎn)軸采用φ20圓鋼制作。

圖3 鋼柱起吊緩沖裝置

將緩沖器放在鋼柱起吊位置，當(dāng)鋼柱緩慢起吊時(shí)，鋼柱底面與緩沖器上部橫梁接觸，隨著鋼柱起吊，緩沖器上部的H型鋼橫梁依靠轉(zhuǎn)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。鋼柱起吊過程中始終保證其與緩沖器接觸，直至鋼柱旋轉(zhuǎn)至豎直，防止鋼柱突然轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生遠(yuǎn)超其自重的動(dòng)力，從而對(duì)起重機(jī)起到保護(hù)作用。鋼柱起吊過程如圖4所示。

圖4 鋼柱起吊過程

鋼柱完全立直后，調(diào)整起重機(jī)鉤頭位置，確定鉤頭中心與鋼柱中心一致后，將鋼柱起吊就位。鋼柱起吊后，離開地面約500mm，靜止5min檢查吊裝索具和履帶式起重機(jī)狀態(tài)，確認(rèn)正常后正式將起吊鋼柱就位。當(dāng)鋼柱吊裝至地腳螺栓上方約200mm，停止動(dòng)作，待鋼柱穩(wěn)定后，由施工人員輔助鋼柱緩慢下落，一方面調(diào)整鋼柱的定位軸線保證鋼柱定位準(zhǔn)確，另一方面防止鋼柱下落過程中損壞地腳螺栓絲扣。

鋼柱完全落下后，采用20mm厚鋼板制作的校正裝置配合千斤頂對(duì)鋼柱進(jìn)行標(biāo)高和垂直度校正，如圖5所示。

圖5 重型鋼柱校正裝置使用

調(diào)整器下部開口按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際柱腳板外側(cè)與鋼柱主體的距離及柱腳板厚度確定，使用過程中將調(diào)整器下部開口位置卡住鋼柱腳板，利用千斤頂向下頂實(shí)現(xiàn)調(diào)整器向上動(dòng)，以達(dá)到鋼柱測(cè)量定位校正的目的。鋼柱校正完畢后，將地腳螺栓的螺母全部擰緊固定，鋼墊板、鋼柱柱腳板與螺母焊接防止螺母松動(dòng)。

5 鋼柱安裝與焊接

5.1 上部鋼柱安裝

1)上部鋼柱與首節(jié)鋼柱采用焊接連接，焊縫間隙10mm，在箱型鋼柱內(nèi)部沿4條焊縫設(shè)置16mm厚鋼板，超出鋼柱坡口底部10mm，作為標(biāo)高墊板和焊接襯板。鋼柱起吊過程中為防止損壞鋼襯板，在鋼柱底部設(shè)置襯板保護(hù)裝置(見圖6)，采用20mm厚鋼板制作，在保護(hù)襯板的同時(shí)起到緩沖作用，防止起重機(jī)在鋼柱立起過程中發(fā)生危險(xiǎn)。

圖6 鋼柱襯板保護(hù)裝置

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼柱板厚及鋼襯條規(guī)格確定2塊立板開口長(zhǎng)度及豁口尺寸，鋼柱起吊前將保護(hù)器豁口插入鋼柱對(duì)接口位置，在鋼柱起吊旋轉(zhuǎn)過程中，該保護(hù)器承受鋼柱質(zhì)量，進(jìn)而保護(hù)鋼襯條不被碰觸而脫落。同時(shí)將該裝置底部做成圓角，在鋼柱旋轉(zhuǎn)立起過程中隨鋼柱旋轉(zhuǎn)，保證鋼柱不會(huì)突然轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生危險(xiǎn)。當(dāng)鋼柱立起來(lái)后，隨著鋼柱逐漸起吊，鋼柱與襯板保護(hù)裝置自然脫離，完成起吊動(dòng)作。

3)鋼柱吊裝就位并測(cè)量校正后交付焊接。

5.2 鋼柱焊接

1)本工程中鋼柱材料選用高強(qiáng)度厚板或超厚板(板厚50～100mm)，且鋼柱截面較大，焊縫較長(zhǎng)，最長(zhǎng)焊縫達(dá)2 200mm，焊接難度較大。為解決焊接難題，通過焊接工藝試驗(yàn)確定既可操作又最經(jīng)濟(jì)的焊縫坡口形式，焊縫坡口角度為30°，焊縫間隙10mm。通過試驗(yàn)確定了各種焊接形式的焊接工藝參數(shù)，并形成了79組焊接工藝評(píng)定報(bào)告。

2)鋼柱安裝前，對(duì)鋼柱坡口位置進(jìn)行打磨處理，清理坡口位置的鐵銹、氧化皮、水、油污等。

3)鋼柱安裝校正后，對(duì)鋼柱坡口位置進(jìn)行預(yù)熱。利用鋼管制成多排出氣孔加熱裝置，加熱裝置的長(zhǎng)度及出氣孔數(shù)量可根據(jù)加熱構(gòu)件的尺寸而定。將烤槍出氣嘴與加熱裝置有效連接，進(jìn)行預(yù)熱操作，利用測(cè)溫槍測(cè)量出鋼材達(dá)到工藝要求的預(yù)熱溫度后，進(jìn)行后續(xù)焊接工作。該預(yù)熱裝置可同時(shí)對(duì)整條焊縫進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱范圍大、速度快。2名操作工人在鋼柱對(duì)稱面進(jìn)行火焰預(yù)熱，預(yù)熱加熱區(qū)寬度為板厚的1.5倍，且≥100mm。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到100℃時(shí)，停止預(yù)熱，進(jìn)行鋼柱另外一側(cè)的預(yù)熱。在整個(gè)預(yù)熱過程中保證加熱區(qū)域整體均受熱，形成流水作業(yè)。預(yù)熱裝置如圖7所示。

圖7 預(yù)熱裝置示意

4)在鋼柱焊接過程中要對(duì)焊縫的層間溫度進(jìn)行控制，當(dāng)層間溫度達(dá)到250℃時(shí)停止焊接作業(yè)，當(dāng)溫度降下來(lái)后再繼續(xù)焊接。整條焊縫焊接完畢后，需覆蓋保溫巖棉進(jìn)行緩慢冷卻，如圖8所示。

圖8 鋼柱焊縫保溫緩冷

5.3 高空牛腿、鋼梁安裝焊接

1)由于鋼柱截面較大，為保證運(yùn)輸，鋼柱上的牛腿只能在鋼柱安裝完畢后再進(jìn)行安裝。高空牛腿安裝焊接缺少操作面，施工危險(xiǎn)性高，為解決這一難題，制作牛腿高空安裝焊接專用支架(見圖9)。將2根角鋼橫桿、1根角鋼立桿組合，與3塊鋼跳板配合使用。在使用過程中，主要利用支架上、下橫桿分別與牛腿的上、下翼緣板焊接并鋪上鋼跳板，為工人焊接下翼緣板接口提供操作面。豎向立桿高出牛腿上翼緣板1 200mm，上開孔掛安全繩，為工人在牛腿上翼緣板上焊接接口提供安全保證。

圖9 牛腿高空安裝焊接支架

2)大截面箱型鋼梁安裝時(shí)，為給焊接工人提供焊接操作平臺(tái)，在鋼梁接口位置設(shè)置高空焊接掛籠，如圖10所示。高空焊接掛籠采用6根[10、28根∟63×63×5、8根φ12圓鋼、12塊跳板制作而成。

圖10 大截面箱型梁高空焊接掛籠示意

3)兩側(cè)掛籠可通過上部2根橫桿掛在大截面箱形梁兩側(cè)，掛籠底部位于大截面箱形梁下翼緣下方，兩側(cè)掛籠底部和中部采用角鋼搭設(shè)平臺(tái)，平臺(tái)上鋪跳板，掛籠立面一側(cè)設(shè)置圓鋼，另一側(cè)不設(shè)置，可供焊工由此進(jìn)出掛籠。掛籠四周開孔掛安全繩，為工人在高空焊接作業(yè)提供安全保障。

6 鋼結(jié)構(gòu)施工信息化管理

1)建立鋼構(gòu)件運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握鋼構(gòu)件的運(yùn)輸過程，為施工現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)調(diào)度施工資源提供數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)包括手機(jī)APP終端、GPS定位終端、信息化物流管理系統(tǒng)。在信息化平臺(tái)中填入運(yùn)輸車輛的相關(guān)基礎(chǔ)信息，設(shè)置運(yùn)輸起點(diǎn)和終點(diǎn)并劃定起點(diǎn)和終點(diǎn)的范圍，設(shè)置發(fā)貨人和接貨人信息。在信息化平臺(tái)中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件裝入運(yùn)輸車輛，工廠使用PDA設(shè)備掃構(gòu)件二維碼后進(jìn)行裝車，司機(jī)師傅使用運(yùn)輸軟件選擇自己的車輛，并拍攝車輛照片開始運(yùn)輸，運(yùn)輸過程中通過運(yùn)輸軟件自動(dòng)記錄軌跡、速度、聲音等，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件運(yùn)到指定地點(diǎn)后拍攝車輛照片結(jié)束運(yùn)輸。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件運(yùn)輸監(jiān)控效果顯著，不僅采用了定位軌跡的方式，還利用手機(jī)錄音、速度檢測(cè)等功能，實(shí)時(shí)掌控運(yùn)輸過程中所發(fā)生的事件，其信息化平臺(tái)中與運(yùn)輸軟件連接的構(gòu)件、模型、車輛、司機(jī)、時(shí)間、軌跡、速度、聲音均能進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)分析，且車輛駛出起點(diǎn)范圍和駛?cè)虢K點(diǎn)范圍時(shí)由信息化平臺(tái)自動(dòng)通知發(fā)貨人和收貨人，有效完成構(gòu)件運(yùn)輸過程中的自動(dòng)化監(jiān)控，為鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件安裝提供有利的運(yùn)輸保障。

2)施工現(xiàn)場(chǎng)采用新的施工進(jìn)度管理辦法，通過BIM模型調(diào)整計(jì)劃進(jìn)度時(shí)間線控制工程模型展示的內(nèi)容。利用無(wú)人機(jī)自動(dòng)起飛、巡航、回歸充電，對(duì)無(wú)人機(jī)自動(dòng)巡航掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)實(shí)景建模并進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，最后將工程模型與實(shí)景模型進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得到進(jìn)度偏差百分比。通過以上方法掌握工程建設(shè)的進(jìn)度，在最短時(shí)間內(nèi)有效完成工程進(jìn)度管理的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和分析，為解決人力、機(jī)械、資源的投入和調(diào)配提供有利的數(shù)據(jù)保障。

3)分析二維現(xiàn)場(chǎng)布置圖紙并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在平面布置圖內(nèi)標(biāo)注測(cè)站位置、目標(biāo)球位置以保證最佳掃描效果，使用三維掃描儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況、運(yùn)輸車輛、起重設(shè)備及構(gòu)件進(jìn)行掃描，合并模型得到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際模型及設(shè)備模型。利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際掃描模型可在Revit等建模軟件內(nèi)進(jìn)行碰撞測(cè)試，從而分析出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際容量及運(yùn)輸方案，并進(jìn)行安裝方案模擬。本工法的寫實(shí)三維建模效果顯著，不僅采用Trimble TX8三維掃描儀的強(qiáng)大寫實(shí)造型功能，還利用建模軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模型進(jìn)行參數(shù)化，準(zhǔn)確地表達(dá)了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際造型，對(duì)以后構(gòu)件堆放、運(yùn)輸、車輛調(diào)度等工作效率的提高發(fā)揮了極大的作用，能最大化利用拼裝場(chǎng)地的有限空間，同時(shí)提前進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)吊裝方案模擬，避免吊裝過程中發(fā)生碰撞，為鋼結(jié)構(gòu)施工提供有利保障。

7 結(jié)語(yǔ)

北京豐臺(tái)站改建工程是國(guó)內(nèi)首座雙層車場(chǎng)結(jié)構(gòu)，即最下層是普速承軌層，上方是高架候車層，在高架候車層上面又增加了一層高速承軌層。雙層車場(chǎng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致站房的框架結(jié)構(gòu)截面較大，構(gòu)造復(fù)雜。通過研發(fā)大型鐵路站房復(fù)雜環(huán)境下大型鋼構(gòu)件吊裝施工技術(shù)，采用裝配式棧橋?yàn)榇笮吐膸狡鹬貦C(jī)的吊裝作業(yè)提供通道，減少鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件分段數(shù)量，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)的安裝工作量和施工難度，同時(shí)研發(fā)了新的鋼結(jié)構(gòu)施工工藝，不但提高了施工質(zhì)量和施工效率，在保證施工進(jìn)度的同時(shí)大大節(jié)約了人力，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。采用重型鋼柱安裝校正工裝，提高了重型鋼柱的安裝精度和效率。采用的裝配式棧橋可循環(huán)利用，體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)綠色施工的優(yōu)點(diǎn)。