重型施工荷載下高鐵站房高架層臨時(shí)加固設(shè)計(jì)與計(jì)算方法

藺再?gòu)?qiáng)

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100043）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)高鐵建設(shè)飛速發(fā)展。2008 年 8 月京津城際鐵路建成運(yùn)營(yíng)，標(biāo)志著中國(guó)正式邁入 300 km/h 的高鐵應(yīng)用時(shí)代，至今我國(guó)已建成世界上最大規(guī)模的高速鐵路網(wǎng)，為國(guó)人生活和出行帶來(lái)了極大便利的同時(shí)，也為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了強(qiáng)勁動(dòng)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年全國(guó)高速鐵路里程由 2015 年底的 1.9 萬(wàn)公里增加到了 3.79 萬(wàn)公里，增加了 91.4 %，在建高速鐵路里程約達(dá) 1 萬(wàn)公里，工程量龐大。《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》［1］提出建設(shè)現(xiàn)代化鐵路網(wǎng)，堅(jiān)持新改建并舉、加快既有鐵路擴(kuò)能改造，推進(jìn)既有鐵路運(yùn)能緊張路段能力補(bǔ)強(qiáng)。

在此背景下，我國(guó)高鐵站房的建設(shè)量龐大。而有著進(jìn)站、候車、商業(yè)功能的高架層［2］，主要承受裝修、行人荷載，本著經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)原則，高架層樓板結(jié)構(gòu)往往較為薄弱［3］。但在高鐵站房高架層上進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝時(shí)，常通過(guò)增加樓板厚度來(lái)提升結(jié)構(gòu)承載力的方式，可以輕易達(dá)到汽車吊行駛、作業(yè)的要求，但在吊裝作業(yè)完成后，樓板承載力冗余，造成了成本的增加以及材料的浪費(fèi)。

本文結(jié)合廣深港高鐵虎門站站房改擴(kuò)建項(xiàng)目，提出了一種臨時(shí)加固方式，通過(guò)支撐架將較薄弱的高架層豎向荷載部分傳遞至下層，給出了基于影響線的結(jié)構(gòu)及支撐計(jì)算方法，為相關(guān)項(xiàng)目提供思路和借鑒。

1 項(xiàng)目概況

廣深港高鐵虎門站站房改擴(kuò)建項(xiàng)目地點(diǎn)位于東莞市虎門鎮(zhèn)白沙村，莞太路與站北路交匯處東南側(cè)，工程包含既有鐵路橋梁南北側(cè)新建站房工程，既有站改造工程，部分新建屋面工程，改擴(kuò)建后站房總建筑面積為 25 746.3 m2，其中新建站房建筑面積 11 441 m2，既有站改造面積為 14 305.3 m2，項(xiàng)目效果圖如圖1 所示。

圖1 項(xiàng)目效果圖

其中鋼結(jié)構(gòu)工程包含南北擴(kuò)建主站房以及 4 個(gè)小飛翼鋼結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。屋蓋整體平面尺寸為長(zhǎng) 439 m（包含飛翼），寬 87.145 m；屋面為雙曲面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)類型較多，主要有倒三角桁架結(jié)構(gòu)、曲面箱梁結(jié)構(gòu)、鋼管平面桁架結(jié)構(gòu)、箱梁平面桁架結(jié)構(gòu)等多種類型，總工程量約 10 000 t，單個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件重量 10～25 t 不等。主體施工階段現(xiàn)場(chǎng)布置塔吊均為小塔吊，不具備作業(yè)需求，計(jì)劃采用 100 t 汽車吊于高架層上進(jìn)行吊裝作業(yè)。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)作業(yè)內(nèi)容

站房混凝土結(jié)構(gòu)截面尺寸及配筋如下。

高架層最小截面主梁：450 mm×1 000 mm（配筋：C8@100/200（4），5C25；11C25 3/8 ，N8C14）。

高架層最小截面次梁：300 mm×800mm（配筋：C8@200（2），3C22；5C22，N4C12）。

高架層樓板：7 290 mm×2 800 mm，5 075 mm× 3 825 mm，4 825 mm×3 900 mm；板厚 130 mm（配筋：雙層雙向C10@150）。

站臺(tái)層最小截面主梁：500 mm×1 000mm（配筋：C10@100/200（4），4C32；14C32 6/8，N8C16）。

站臺(tái)層最小截面次梁：400 mm×1 000mm（配筋：C8@150（4），4C25；7C25，N8C12）。

站臺(tái)層樓板：7 290 mm×2 800mm，5 075 mm× 3 825mm，4825 mm×3 900mm；板厚250mm（配筋：雙層雙向C14@150）。

2 高架層臨時(shí)加固設(shè)計(jì)與計(jì)算方法

2.1 臨時(shí)加固設(shè)計(jì)

承插型盤扣腳手架和扣件式腳手架是目前應(yīng)用較為廣泛的兩種。承插型盤扣腳手架安裝快捷，具備良好的穩(wěn)定性和承載力，可為結(jié)構(gòu)提供有效支撐，但其模數(shù)固定，布置時(shí)靈活性不足，不便于根據(jù)需求對(duì)局部位置進(jìn)行加密?？奂侥_手架布置靈活但穩(wěn)定性略差。兩種腳手架單獨(dú)使用均存在一定的局限性。

所提出的臨時(shí)加固方式為“承插型盤扣腳手架+扣件式腳手架”組合支撐架，即采用盤扣式腳手架進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體支撐加固，在局部需要加強(qiáng)部位采用扣件式腳手架進(jìn)行加密，并與盤扣式腳手架連接，如圖3 所示。

圖3 組合支撐架示意圖

組合支撐架通過(guò)盤扣式腳手架提供穩(wěn)定性，確保架體安全，通過(guò)扣件式腳手架實(shí)現(xiàn)靈活布置的需求，適用性強(qiáng)。

布置時(shí)，為方便站臺(tái)層工人作業(yè)，盤扣式腳手架立桿不宜過(guò)密，滿足汽車吊行駛要求即可；在特殊部位，如大跨度樓板板中、汽車吊支腿位置等，采用扣件式腳手架進(jìn)行加密。

2.2 計(jì)算方法

采用基于影響線的計(jì)算方法，將汽車吊荷載以移動(dòng)荷載的方式施加于高架層上進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析，得到最不利荷載位置，再根據(jù)荷載實(shí)際作用面進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)分析。

對(duì)于結(jié)構(gòu)，將組合支撐架立桿考慮為兩端固結(jié)于高架層、站臺(tái)層，暫不考慮支撐架的穩(wěn)定性。在汽車吊行駛工況下，主、次梁往往能夠滿足要求，需著重對(duì)樓板承載力、裂縫進(jìn)行驗(yàn)算；在汽車吊作業(yè)工況下，為了便于施工作業(yè)，需著重對(duì)支腿荷載作用在最小截面次梁上時(shí)次梁的承載力、裂縫進(jìn)行驗(yàn)算。高架層通過(guò)支撐架將部分豎向荷載傳遞到了站臺(tái)層，因此在高架層結(jié)構(gòu)滿足要求后，應(yīng)對(duì)站臺(tái)層樓板、梁的承載力、裂縫進(jìn)行驗(yàn)算。

對(duì)于組合支撐架，根據(jù) JGJ/T 231－2021《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算立桿最大承載力，由于扣件式腳手架與盤扣式腳手架相連接，無(wú)需對(duì)扣件式腳手架單獨(dú)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，汽車吊行駛、吊裝各工況下高架層傳遞至支撐架立桿的荷載值小于按照所計(jì)算盤扣架立桿最大承載力即可。

本臨時(shí)加固設(shè)計(jì)計(jì)算方法具體實(shí)施流程如圖4 所示。施工前，首先根據(jù)高架層上所需吊裝鋼構(gòu)件質(zhì)量初步選定汽車吊型號(hào)、工作幅度及高架層下盤扣式腳手架立桿間距，合理排布吊車支撐位置，對(duì)特殊部位采用扣件式腳手架進(jìn)行加密，進(jìn)行各工況下的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，直至結(jié)構(gòu)的承載力、裂縫寬度等滿足相關(guān)規(guī)范要求，獲取立桿最大軸向荷載值。計(jì)算盤扣式腳手架立桿最大承載力與結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程中提取的立桿荷載值進(jìn)行比較，若最大承載力大于提取荷載值，即說(shuō)明組合支撐架滿足要求，可以依據(jù)計(jì)算結(jié)果編制施工方案；若最大承載力小于提取的荷載值，則需重新調(diào)整汽車吊型號(hào)、作業(yè)幅度、盤扣式腳手架立桿間距，重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

圖4 實(shí)施流程圖

3 實(shí)施方式與計(jì)算結(jié)果

3.1 實(shí)施方式

初步選用 100 t 汽車吊，作業(yè)幅度 10 m，盤扣式立桿間距 900 mm。采用 Midas Civil 有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。

3.1.1 模型建立

首先建立站房局部模型進(jìn)行計(jì)算分析，荷載施加區(qū)域?yàn)橹虚g板塊，為減少邊界條件的影響，在中間板四周增加 8 塊板提高分析精度。樓板采用板單元建立，主、次梁及柱采用單元建立。計(jì)算模型如圖5 所示。

圖5 計(jì)算模型

汽車吊行駛過(guò)程工況下，對(duì)于樓面板采用局部分析，目前 Midas Civil 軟件的影響線（面）分析功能輸出的內(nèi)力/位移值只提供“集中荷載作用”下的結(jié)果，為準(zhǔn)確分析樓板的局部受力情況，需分兩步進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算：先采用“移動(dòng)荷載”功能進(jìn)行計(jì)算，確定最不利荷載加載位置，再施加輪壓荷載進(jìn)行受力分析。對(duì)于主次梁則采用整體分析，直接使用“移動(dòng)荷載”分析結(jié)果。

汽車吊吊裝作業(yè)工況下，采用局部分析的方式，汽車吊支腿下墊有鋼梁，因此支腿荷載等效為 1.5 m 線荷載；將支腿最大荷載施加在主次梁上，根據(jù) GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》驗(yàn)算梁的承載力及裂縫。

3.1.2 荷載計(jì)算

1）恒載，結(jié)構(gòu)自重。25 kN/m3

2）活載，初步選用 STC1000C7 汽車吊，關(guān)鍵指標(biāo)如圖6 所示，吊車重量 54.6 t（其中 1 軸負(fù)荷 12 t，2 軸負(fù)荷 12 t，3 軸負(fù)荷10.5 t，4 軸負(fù)荷 10.5 t，5 軸負(fù)荷 9.6 t），配重 38.5 t，支腿間距 7.3 m×8.1 m。

圖6 汽車吊主要技術(shù)指標(biāo)（單位：mm）

行駛過(guò)程。不帶配重行駛時(shí)，高架層僅承受汽車吊自重，局部加載時(shí)動(dòng)力系數(shù)取 1.3，因此，吊車 1、2 軸總重P1=1.3×120×2=312 kN。吊車 3、4、5 軸總重P2=1.3× 306=397.8 kN。前輪的著地尺寸為 0.3 m×0.2 m，后輪著地尺寸為 0.6 m×0.2 m（偏于保守仍取 0.3 m×0.2 m）。因此，前輪輪壓為：P1=312/［4（0.3×0.2）］=1 300 N/m2，后輪輪壓為：P2=397.8/［6（0.3×0.2）］=1 105 kN/m2。

帶配重行駛情況下，前輪輪壓為：P3=512.2/［4（0.3×0.2）］=2 134.17 N/m2，后輪輪壓為：P4=698.1/［6（0.3×0.2）］=1 939.17 kN/m2。

吊裝過(guò)程。對(duì)于 STC1000C7 吊車，自重 54.6 t，配重 38.5 t，在吊裝過(guò)程中，平臺(tái)層承受汽車自重和吊重。根據(jù)該類型汽車吊的吊裝參數(shù)，當(dāng)起吊 25 t 荷載時(shí)，工作幅度為 6 m，支腿縱距 7.3 m，橫距（全伸）8.1 m。支腿伸出后汽車輪離地。因此，支腿最大壓力F1=（546+385+250）/4+250×6/（7.3×2）=397.99 kN，最小壓力F2=（546+385+250）/4-250×6/（7.3×2）=192.51 kN。

荷載基本組合，1.3 恒載+1.5 活載。

荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，1.0 恒載+1.0 活載。

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

根據(jù) GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，有限元計(jì)算結(jié)果及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果詳如表1 所示。由表1 可知，①汽車吊不可帶配重行駛；②汽車吊支腿支撐于主梁上時(shí)，作業(yè)幅度可達(dá)到 10 m，主梁下支撐架立桿間距為 900 mm；③汽車吊支腿支撐于次梁上時(shí)，作業(yè)幅度應(yīng)控制在 6 m 以內(nèi)，次梁下支撐架立桿間距應(yīng)加密為 450 mm。

表1 各工況下承載力、裂縫驗(yàn)算結(jié)果

汽車吊不帶配重行駛工況于高架層上，樓板內(nèi)力如圖7 所示；汽車吊（作業(yè)幅度 6 m）支腿作用在截面最小次梁上，梁內(nèi)力圖如圖8 所示。

圖7 高架層次梁內(nèi)力圖

圖8 高架層樓板彎矩圖

3.2.2 組合支撐架計(jì)算結(jié)果

根據(jù) JGJ 130－2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》對(duì)不同支撐架進(jìn)行驗(yàn)算，立桿間距 900 mm，步距 900 mm 的扣件式腳手架進(jìn)行承載力計(jì)算，Nmax，1=19.6 kN；對(duì)立桿間距900mm、布局1 000 mm 的盤扣式腳手架進(jìn)行承載力計(jì)算，Nmax，2=70.7 kN。

根據(jù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果，不同工況、不同位置支撐架立桿軸力如圖9～圖11 及表2 所示。若僅采用扣件式腳手架，不滿足穩(wěn)定性要求，僅采用盤扣式腳手架，次梁下部不加密不滿足裂縫驗(yàn)算要求，采用“承插型盤扣腳手架+扣件式腳手架”組合支撐架不但可以滿足支撐架穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、裂縫寬度等要求，布置方式上還具備較高的靈活性，便于實(shí)施。

表2 立桿軸力值

圖9 樓板下立桿最大軸力圖（900 mm）

圖10 次梁下立桿最大軸力圖（450 mm）

圖11 主梁下立桿最大軸力圖（900 mm）

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于高鐵站房項(xiàng)目，于高架層上進(jìn)行汽車吊作業(yè)的難度較大，提出了一種通過(guò)“承插型盤扣腳手架+扣件式腳手架”組合支撐傳遞高架層豎向荷載至下層的臨時(shí)加固方式，此方式通過(guò)盤扣式腳手架提供穩(wěn)定性，采用扣件式腳手架在特殊位置局部加密并與盤扣式腳手架相連接，實(shí)現(xiàn)靈活布置的需求。

文中給出了基于影響線的臨時(shí)加固設(shè)計(jì)及計(jì)算方法，即采用整體分析獲取荷載施加最不利位置，根據(jù)荷載實(shí)際作用形式施加于最不利位置進(jìn)行局部分析。

在結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)，可將組合支撐架立桿考慮為兩端固結(jié)于高架層、站臺(tái)層，對(duì)各作業(yè)工況下樓板、主次梁的承載力、裂縫等進(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)于組合支撐架，按照盤扣式腳手架進(jìn)行立桿最大承載力計(jì)算，扣件式腳手架與盤扣式腳手架相連接，無(wú)需對(duì)扣件式腳手架單獨(dú)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

結(jié)合廣深港高鐵虎門站站房項(xiàng)目應(yīng)用所提臨時(shí)加固方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)及計(jì)算，為相關(guān)項(xiàng)目提供參考和借鑒。Q