柳州火車站室外高大超寬機翼型鋁板吊頂單元反吊施工技術

趙天野

（中鐵建設集團有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，建筑造型更加多元化、復雜化，當前在火車站、會展中心、大型報告廳、機場航站樓等公共建筑中常采用鋁條板吊頂形式，此種形式吊頂常為簡單的平面造型，采用常用的吊頂轉換龍骨體系即可以滿足造型要求。但對于造型新穎，連接方式復雜的設計構造，如本案例中的高大超寬機翼型鋁板吊頂，這種吊頂體系在工程施工進度、安裝可靠性和經濟性、美觀性等方面就存在較大的難度，本文根據(jù)柳州站站房擴建工程的施工實際情況，進行吊頂造型設計、龍骨及轉換節(jié)點設計計算和施工方法的分析研究。

1 吊頂工程概況

柳州站位于廣西壯族自治區(qū)柳州市南站路北側，現(xiàn)有湘桂、黔桂、焦柳鐵路線路在此交匯，為既有站房改擴建工程，擴建后，車站總建筑面積為 11.4 萬 m2。其中站房東西兩側鋼結構網架下方室外部分為機翼型鋁板吊頂，東西兩側吊頂平面面積 5 900 m2，其中東側吊頂施工完成，南北最長處長度 218 m，東西向最寬處寬度 35.8 m，吊頂凈標高為 19.6 m，吊頂剖面尺寸638 mm×78 mm×3 mm。吊頂下方地面設計為石材地面，墻面玻璃幕墻，施工完成后現(xiàn)場情況如圖 1 所示，剖面圖如圖 2 所示。

圖1 機翼型吊頂平視圖

圖2 機翼型吊頂剖面圖

此機翼型吊頂設計在屋面鋼結構網架下方，鋁板形式復雜，桁架龍骨高度高，重量大，連接安裝困難，按照常規(guī)的轉換龍骨體系進行安裝，根本不能控制機翼型吊頂?shù)钠秸扰c可靠性，材料消耗大且加工難度高，施工進度與經濟上也極不合理，因此必須從設計到施工對吊頂進行全系統(tǒng)的改進，對造型進行必要的深化改進，對桁架龍骨連接、轉換節(jié)點進行設計計算，并對施工方法進行研究。

2 吊頂構造設計

整個吊頂體系計算分為機翼型鋁板設計、吊頂龍骨體系設計、螺栓球轉化節(jié)點設計，其中機翼型鋁板造型設計為體系亮點、螺栓球轉化節(jié)點為體系設計計算重要控制點。機翼型吊頂體系圖如圖 3 所示。

圖3 機翼型吊頂體系圖（單位：mm）

2.1 機翼型鋁板設計

吊頂鋁板總寬度 638 mm，厚度 78 mm，由 3 塊鋁板及 4 塊扣蓋拼裝組成，吊頂中間位置使用 127 mm白色鋁合金連接件與兩側 216 mm 白色梭型鋁板栓接連接，梭形鋁板圓弧角半徑R=968 mm，整體形狀類似于飛機機翼，富有現(xiàn)代化科技氣息，具體構件尺寸如圖 4 所示。

圖4 機翼型吊頂構件圖（單位：mm）

根據(jù)吊頂?shù)某叽缧螤顚Φ蹴斾X板的強度、剛度、抗剪強度計算，最終得到機翼型吊頂?shù)慕Y構形式可以滿足受力要求。

2.2 吊頂龍骨體系設計

龍骨體系由豎向龍骨（120×60×4 鋼管 Q235B，L=100 mm、表面噴漆處理）、水平橫向和縱向龍骨（80×60×4 鋼管 Q235B，表面噴漆處理）組成。

室外大型機翼板吊頂?shù)闹饕兄亟Y構為鋼結構網架的受力單元螺栓球，在前期鋼結構設計階段，就考慮了后期吊頂荷載作用，預先在螺栓球上預留了與吊頂鋼架連接用的螺栓孔，便于后期吊頂施工，吊頂鋼架結合鋼結構網架 3 m×2.5～3.5 m 的間距進行布置，結構的選型和布置綜合考慮了受力特點（包括風荷載和地震的水平荷載，風荷載和自重的豎向荷載），通過有限元軟件分別進行了強度、剛度驗算，得到鋼架的強度、剛度滿足規(guī)范要求。并通過支反力計算，得到最大組合豎向力為 20.89 kN，計算結果如圖 5 所示。

圖5 鋼架支反力計算結果

最大恒載豎向力：3.19 kN。

最大風荷載豎向力：12.64 kN。

最大組合豎向力：3.19+12.64×1.4=20.89 kN。

2.3 螺栓球轉換節(jié)點設計計算

螺栓球與吊頂龍骨的連接位置，根據(jù)安全可靠和經濟節(jié)材的原則，采用了栓接與焊接相結合的方式進行施工，轉換支架包含兩部分，一是 C 10# 槽鋼 Q235B 搭配單個 M20 高強螺栓組；二是一塊中間開洞的 6 mm 厚材質為 Q235B 鋼板轉接件，兩者滿焊連接，節(jié)點圖如圖 6 所示。根據(jù)有限元軟件受力計算，最大組合豎向力為 20.89 kN，單個螺栓拉拔力和剪力，焊縫正應力均滿足要求，焊縫參數(shù)如圖 7 所示，螺栓參數(shù)如表 1 所示。

圖6 螺栓球節(jié)點圖

圖7 焊縫截面參數(shù)圖

表1 不銹鋼螺栓表（A2-70 S/S Bolt）

單個 M20 螺栓承受拉拔力：20.89 kN≤78.33 kN。

焊縫正應力：σ=20 890/2 184=9.57 MPa≤160 MPa。

螺栓強度、焊縫強度滿足規(guī)范要求。

3 吊頂安裝施工

施工步驟：施工段劃分→測量放線→螺栓球轉換節(jié)點施工→機翼板的拼裝和轉接件的安裝→底座的安裝和機翼板就位→龍骨系統(tǒng)的拼裝并與機翼板連接→反吊施工→單元與網架節(jié)點進行連接。

3.1 施工段的劃分

根據(jù)單塊機翼板重量、起吊設備參數(shù)和龍骨溫度收縮，將 6 塊機翼板作為一個拼裝單元，將站房室外檐口機翼板吊頂分為 40 個單元和若干個散拼塊。施工順序：先施工東側，再施工南北兩側；每側由內向屋面外檐口方向施工，兩側對稱施工，施工段劃分如圖 9 所示。

圖9 施工段的劃分

3.2 測量放線

根據(jù)基準點坐標，測量定出以屋面網架球點坐標為基準點的控制線，并繪成測量控制網。在每個螺栓球上標出與吊頂安裝標高控制線的距離，形成了立體施工控制網，所有測量布點均采用全站儀布設，儀器立于地面，測量人員在屋面鋼結構上定點。所形成的施工控制網用于下料、龍骨體系定位安裝及復核、機翼吊頂?shù)陌惭b及復核。該測量過程應作為工程施工控制的關鍵。

3.3 螺栓球轉換節(jié)點施工

螺栓球與鋼架連接位置，采用了栓接與焊接相結合的方式進行施工，轉換件包含兩部分，一是 C10# 槽鋼 Q235B 搭配 M20 高強螺栓組、二是一塊中間開洞的6 mm 厚鋼板轉接件，兩者焊接連接。

轉換件在地面進行構件制作與焊接，打磨除銹刷漆后再在高空進行栓接，螺栓必須使用專用力矩扳手擰緊，專人進行復核，避免漏擰、未擰緊，現(xiàn)場施工完成照片如圖 10 所示。

圖10 螺栓球節(jié)點圖

3.4 機翼板的拼裝和轉接件的安裝

單個機翼板尺寸長 7 m，寬 0.638 m，重 98 kg，由 3部分組成，需在現(xiàn)場進行拼裝、打磨、安裝壓條板，局部斜邊倒角位置需要進行切割。每個機翼板上方安裝三對轉接件，每對轉接件由兩個 6 mm 厚角鋼 Q235B 組成，使用 2 顆 M8×35 不銹鋼螺栓組固定，轉接件后續(xù)與龍骨進行連接，轉換體系節(jié)點如圖 11、圖 12 所示。

圖11 機翼板轉接體系節(jié)點

圖12 機翼板轉接件

3.5 底座的安裝和機翼板就位

使用方管角鋼焊接成的機翼板放置底座，不屬于吊頂自身結構，但可多次重復使用，因其控制機翼板的放置角度，所以需嚴格控制其拼裝尺寸，現(xiàn)場拼裝如圖 13 所示。

圖13 機翼板放置于底座

3.6 龍骨系統(tǒng)的拼裝并與機翼板連接

龍骨體系的拼裝精度直接影響吊頂成型的效果，必須精確控制其尺寸、高度、平整度，避免出現(xiàn)累計誤差，影響整體外觀質量。每個龍骨體系選取 4 個測量點（水平縱橫龍骨連接處）進行標高控制。焊接過程在地面完成，嚴格控制焊接質量。

龍骨體系和機翼板通過已安裝好的轉接件進行焊接連接。焊接過程對稱施焊，先點焊，待測量定位無誤組件調整符合要求后再進行滿焊、除銹、刷漆施工，無機富鋅漆涂刷 2 道。

3.7 反吊施工

單個拼裝單元的自重約為 750 kg，為保證吊裝的安全平穩(wěn)，現(xiàn)場采用兩臺 3 000 kg 的 DM1 CD1 型卷揚機進行吊裝作業(yè)，每臺卷揚機采用 8 顆化學錨栓與地面固定，防止吊裝過程中發(fā)生滑動和傾覆。吊裝前采用兩個定滑輪分別布置于網架下弦桿的東西兩側，通過鋼絲繩控制機翼板拼裝單元的起降和東西向位移。

同時在拼裝單元的四角布置 4 個吊點，吊點位置通過綁帶和φ10 鋼絲繩進行加強處理，單個吊點起吊重量約 190 kg，每側均布置一個手動葫蘆，便于與網架體系進行對接時的方位調整［1-3］。

地面由兩組各三人通過與單元綁扎的麻繩，進行南北兩側的方向控制。這樣形成了能控制空間 6 個方位位移的操作體系（見圖 14）。

圖14 吊裝現(xiàn)場

3.8 單元與網架節(jié)點進行連接

拼裝單元反吊至指定位置后，需要與螺栓球轉換節(jié)點進行連接。因網架螺栓球不在同一標高，現(xiàn)場拼裝單元和螺栓球有兩種連接方式，一種是通過 M12×100不銹鋼螺栓組進行栓接，另一種是通過 60×60×4 鋼管Q235B 作為轉換層進行焊接，連接方式圖紙如圖 15 所示。對接過程需使用全站儀全程監(jiān)測標高和定位，這是整個施工過程重要一步，對接質量直接決定了機翼板吊頂?shù)某尚托Ч?/p>

圖15 兩種連接方式（單位：mm）

4 結語

通過對吊頂施工方案的選擇與技術改進，同時對螺栓球節(jié)點進行合理設計，并經過精心的施工，將柳州站站房擴建工程的室外高大超寬機翼板吊頂完美地展現(xiàn)了出來，外觀效果極佳，內在質量上乘。吊頂轉換節(jié)點的順利實施，比常規(guī)的施工方案節(jié)約了大量的工期及成本，且安全適用美觀，科技感強，極大地提高了施工效率，施工質量也得到了大幅提高，受到了監(jiān)理和業(yè)主好評一致，取得了良好的社會效益和經濟效益。

隨著國家經濟的快速提高，尤其國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實施，勢必帶動建筑業(yè)產生更加廣闊的發(fā)展前景。柳州站通過室外高大超寬機翼型鋁板吊頂單元反吊施工技術的實際實施，對特制轉換件與主體鋼結構網架螺栓球栓接、機翼型鋁板吊頂單元反吊施工積累了寶貴的施工經驗。Q