王世明,楊石杰,馬福憲,李寶河

(中鐵建工集團(tuán)有限公司,北京 102448)

1 工程概況(圖1)

武廣鐵路客運(yùn)專線長沙南站位于長沙市雨花區(qū),建筑面積 20萬 m2,包括站房和南北對(duì)稱分布的站臺(tái)雨棚三個(gè)區(qū)域,豎向分為高架候車層、站臺(tái)層、出站層三層。站房屋蓋為整體單曲局部雙曲屋面形式,水平投影面積 5.5萬 m2;站臺(tái)雨棚為單曲面形式,水平投影面積 4.9萬 m2。鋼結(jié)構(gòu)是長沙南站的主要結(jié)構(gòu)形式,包括站房屋蓋系統(tǒng)、站臺(tái)層以上鋼桁架樓面系統(tǒng)及站臺(tái)層以下勁性鋼結(jié)構(gòu)、站臺(tái)雨棚鋼結(jié)構(gòu)等,共計(jì) 3.8萬 t。構(gòu)件形式有:鋼柱(鋼管柱、樹狀柱)、鋼桁架、鋼網(wǎng)架、張弦梁、鋼梁、鋼梯等。本文僅對(duì)站臺(tái)層以上鋼結(jié)構(gòu)工程的施工技術(shù)進(jìn)行介紹。

圖1 長沙南站鋼結(jié)構(gòu)工程整體模型效果圖

2 工程特點(diǎn)、難點(diǎn)

(1)長沙南站是“建橋合一”的大型高架站房,在工程施工過程中,受下部地鐵工程的影響,車站大橋不能按期完工。按照早期策劃,利用既有站臺(tái)層橋梁搭設(shè)作業(yè)棧道的方案指導(dǎo)施工,勢(shì)必影響到站房鋼結(jié)構(gòu)開工時(shí)間,以致影響到武廣全線的聯(lián)調(diào)聯(lián)試。為此鋼結(jié)構(gòu)工程的作業(yè)棧道需進(jìn)行專項(xiàng)方案設(shè)計(jì)。

(2)長沙南站鋼結(jié)構(gòu)體量大,構(gòu)件種類繁多,工期緊張。站房鋼結(jié)構(gòu)主要分布于兩個(gè)層面,即屋蓋和屋蓋下方高架層樓面結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)站臺(tái)層結(jié)構(gòu)尚未完成,屋面結(jié)構(gòu)有兩種構(gòu)件(網(wǎng)架、張弦梁)組成,需要綜合考慮多方比較,確定實(shí)施方案。

(3)樹狀柱結(jié)構(gòu)是支撐主站房和站臺(tái)雨棚屋蓋系統(tǒng)的主承力結(jié)構(gòu),各桿件間均采用鑄鋼件連接,節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜,在使用荷載作用下能否實(shí)現(xiàn)荷載的安全傳遞,事關(guān)整個(gè)站房工程的結(jié)構(gòu)安全(圖2)。

圖2 樹狀柱結(jié)構(gòu)

3 方案確定

(1)作業(yè)棧道的設(shè)計(jì)基于在施橋梁工程因素及鋼結(jié)構(gòu)安裝的便利,確定采用跨橋搭設(shè)方案,在橋梁施工期間就介入鋼結(jié)構(gòu)的安裝,從而保證工期節(jié)點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

(2)站臺(tái)雨棚由樹狀柱和屋面縱橫鋼架組成,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,所有構(gòu)件采用 2臺(tái) 50 t履帶吊地面吊裝,設(shè)臨時(shí)支撐,高空拼裝的方案。

(3)站房鋼結(jié)構(gòu)主要包括豎向鋼柱、高架層鋼桁架、高架夾層鋼梁、屋面鋼網(wǎng)架和張弦梁幾部分,而施工重點(diǎn)是站房高架層鋼桁架和屋蓋結(jié)構(gòu)(鋼網(wǎng)架、張弦梁)。通過對(duì)整體安裝法、高空滑移法、高空散拼法等幾種方案的比較,結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)橋梁工程在施這一實(shí)際情況,確定采用高空單元拼裝方案。

(4)針對(duì)樹狀柱節(jié)點(diǎn)受力的復(fù)雜性,選取 3個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行足尺試驗(yàn),根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)其安全性。

4 跨橋棧道設(shè)計(jì)(圖3)

跨橋棧道通過格構(gòu)柱支撐路基箱形成,格構(gòu)柱立于橋梁兩側(cè),格構(gòu)柱基礎(chǔ)采用樁基、承臺(tái)形式,在出站層基礎(chǔ)與底板施工時(shí)同步完成。跨橋棧道的整體計(jì)算分析采用有限元分析與計(jì)算軟件 MIDAS/GEN V7.1.2完成,經(jīng)過對(duì)最不利的荷載工況進(jìn)行分析,格構(gòu)柱支撐的位移、強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性,路基板承受應(yīng)力和撓度均滿足要求。

圖3 跨橋棧道示意

5 站房高空單元拼裝方案的實(shí)施

5.1 設(shè)備選型

根據(jù)既定方案及現(xiàn)場(chǎng)施工情況,綜合考慮站房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、吊車作業(yè)半徑等因素,選用 2臺(tái) SCX2500型250 t履帶吊車及 2臺(tái) SC1500型 150 t履帶吊車進(jìn)行站房鋼結(jié)構(gòu)的吊裝。2臺(tái) 250t吊車布置于中間棧道,150 t吊車分布于兩側(cè)棧道。

5.2 安裝單元的確定

根據(jù)鋼桁架構(gòu)件重采取分段、整榀確定單元;張弦梁每榀作為一個(gè)單元;屋面網(wǎng)架根據(jù)所選吊車的性能,結(jié)合支撐格構(gòu)柱的分布確定,共劃分為 122個(gè)單元,單元最重 35 t,設(shè)置支撐點(diǎn) 488處。支撐格構(gòu)柱坐落在網(wǎng)架下方的站臺(tái)層落客平臺(tái)及與已安裝完成的高架層鋼桁架上。

5.3 安裝工況

按照由西向東,豎向同步,橫向逐間推進(jìn)的順序組織安裝,即由下到上完成一個(gè)區(qū)間內(nèi)所有鋼構(gòu)件以后再向前推進(jìn),直到全部鋼構(gòu)件安裝完成。

安裝工況如圖4所示。

圖4 站房鋼結(jié)構(gòu)安裝工況

6 結(jié)構(gòu)卸荷

結(jié)構(gòu)卸載是將屋面鋼結(jié)構(gòu)從支撐受力狀態(tài)轉(zhuǎn)換到自由受力狀態(tài)的過程。結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換卸載具體方法是:通過設(shè)置在支架或支撐頂部的可調(diào)節(jié)支撐裝置(螺旋式千斤頂),按多次循環(huán)、微量下降的原則,來實(shí)現(xiàn)荷載的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移。

6.1 卸載條件

所有構(gòu)件應(yīng)全部安裝到位、焊接結(jié)束;所有節(jié)點(diǎn)的連接已經(jīng)完成,外形尺寸經(jīng)驗(yàn)收合格;卸載當(dāng)天的風(fēng)力不得大于 4級(jí)。

6.2 卸載步驟及方法

根據(jù)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)卸載、施工液壓油缸操作技術(shù)條件與施工仿真計(jì)算結(jié)果,劃分為三大區(qū)域,采用同區(qū)等距(局部不等距)、分步實(shí)施的方法來卸載,共分 35步完成。

根據(jù)施工仿真計(jì)算結(jié)果,選擇采用從中間向兩邊、局部間隔卸載的方法進(jìn)行拆除支撐工作。卸載工具采用 20 t螺旋式千斤頂,卸載時(shí),應(yīng)控制卸載速度,規(guī)定每旋轉(zhuǎn)螺旋式千斤頂半圈(180°)為卸載行程控制單元,每次卸載量控制在 8 mm左右,并應(yīng)控制其誤差范圍在 1mm以內(nèi)。

6.3 卸載控制措施

(1)臨時(shí)支架拆除過程中由于無法做到絕對(duì)同步,支架支撐點(diǎn)卸載先后次序不同,必然造成其軸力增減,應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求或計(jì)算結(jié)果,在關(guān)鍵支架支撐點(diǎn)部位放置檢測(cè)裝置,檢測(cè)支架的軸力變化,確保支架拆除安全。

(2)支撐卸載時(shí),頂部承托件應(yīng)用調(diào)節(jié)裝置(千斤頂)進(jìn)行慢慢釋放,不宜一次性釋放,最少應(yīng)分 3次進(jìn)行釋放,且首次釋放時(shí)其卸載量不應(yīng)超過支撐總承載力的 20%。另外,在釋放過程中進(jìn)行跟蹤測(cè)量,隨時(shí)了解結(jié)構(gòu)的變形情況。

(3)卸載時(shí),應(yīng)設(shè)置變形觀測(cè)點(diǎn),并根據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)照,及時(shí)整理觀測(cè)報(bào)告。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,屋面網(wǎng)架全部卸荷完成后最大下?lián)狭?108 mm,在屋面板等荷載全部加載后最大下?lián)狭?138mm,低于設(shè)計(jì)撓度的 1.15倍,滿足要求。

7 鑄鋼件足尺試驗(yàn)

7.1 節(jié)點(diǎn)選取和試驗(yàn)內(nèi)容

(1)根據(jù)鑄鋼節(jié)點(diǎn)受力情況,選取了 3個(gè)代表性的鑄件進(jìn)行試驗(yàn),分別是雨棚區(qū)的 D1、D2和站房區(qū)的C1節(jié)點(diǎn)(圖5～圖7)。

(2)通過鑄鋼節(jié)點(diǎn)在 1.3倍的設(shè)計(jì)荷載作用下各支桿端部的應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的應(yīng)力狀況,檢驗(yàn)節(jié)點(diǎn)的承載能力。

圖5 C1鑄鋼節(jié)點(diǎn)

圖6 D1鑄鋼節(jié)點(diǎn)

圖7 D2鑄鋼節(jié)點(diǎn)

7.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)試驗(yàn)反力架(圖8)

試驗(yàn)反力架采用鋼結(jié)構(gòu)箱梁制成,設(shè)計(jì)為自平衡體系,為加強(qiáng)桿件的剛度,在桿件連接拐角處均設(shè)置了鋼板加腋。經(jīng)計(jì)算,在加載荷載的作用下,反力架的位移值非常微小,可以忽略不計(jì)。

圖8 反力架

(2)試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的荷載值,C1節(jié)點(diǎn) 4個(gè)支桿承受的軸力值的 1.3倍分別是:1號(hào)桿3 428.1k N;2號(hào)桿4 110.6 kN;3號(hào)桿2 412.8 kN;4號(hào)桿3 214.9kN。加載設(shè)備選用 3臺(tái)400 t和 2臺(tái)250 t液壓千斤頂,滿足加載要求。試驗(yàn)所用千斤頂與壓力表均做了精確的標(biāo)定,荷載同步分級(jí)施加。數(shù)據(jù)采集、記錄和處理設(shè)備為1臺(tái) DH3816靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、2臺(tái) CM-1 J-32測(cè)量系統(tǒng)和 2臺(tái)電腦。

7.3 試驗(yàn)過程

(1)測(cè)點(diǎn)布置(以 C1鑄件為例)

節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)內(nèi)容主要是檢測(cè)在加載條件下各支桿端部的應(yīng)力以及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的應(yīng)力,分別采用單向和三向應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)試。

單向應(yīng)變片用以測(cè)試節(jié)點(diǎn)各支桿的單向應(yīng)變。在距鑄鋼節(jié)點(diǎn)支管端部 50mm處沿管徑各布置 4個(gè)單向應(yīng)變片,根部各布置 1個(gè)單向應(yīng)變片。在距主管端部50 mm處沿管徑各布置 4個(gè)單向應(yīng)變片,由于管件截面漸變,在距離第 1排 4個(gè)應(yīng)變片1 000 mm處沿管徑再布置 8個(gè)單向應(yīng)變片,總計(jì) 32個(gè)單向應(yīng)變片(圖9～圖11)。

圖9 C1桿件編號(hào)

圖10 支管單向應(yīng)變片(單位:mm)

圖11 主管單向應(yīng)變片(單位:mm)

三向應(yīng)變花用以測(cè)試鑄鋼節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的 3個(gè)方向的應(yīng)變,從而根據(jù)理論計(jì)算公式推算出應(yīng)變花所測(cè)平面內(nèi)第一主應(yīng)力及第二主應(yīng)力,進(jìn)而依據(jù)第四強(qiáng)度理論,得到該測(cè)點(diǎn)的 Mises應(yīng)力。根據(jù)以上原則,在靠近4個(gè)支管的交匯核心區(qū),沿每個(gè)支管的管徑根部布置 8組應(yīng)變花,在支管兩兩交匯處,各布置一個(gè)應(yīng)變花,總計(jì) 36個(gè)應(yīng)變花(圖12)。

圖12 C1節(jié)點(diǎn)三向應(yīng)變花布置

(2)試驗(yàn)加載方案

根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的荷載,計(jì)算各支管節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)加載力,試驗(yàn)加載力為設(shè)計(jì)荷載的 1.3倍。在試驗(yàn)過程中,采用各桿件同步分級(jí)加載制度。本節(jié)點(diǎn)共進(jìn)行 3次循環(huán)加載,每次加載分為 13級(jí)。

7.4 試驗(yàn)結(jié)果整理及分析

(1)根據(jù)單向應(yīng)變片實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),鑄鋼節(jié)點(diǎn) C1支桿1～4號(hào)在加載端部的軸向壓應(yīng)力值隨加載等級(jí)的增加呈線性增長的關(guān)系。應(yīng)力最大值在 2號(hào)桿的 7號(hào)應(yīng)變片測(cè)點(diǎn),為 62.56 MPa,小于鑄鋼材料的屈服強(qiáng)度值300 MPa,鑄鋼件端部完全處于彈性狀態(tài)。

(2)根據(jù)三向應(yīng)變花實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),鑄鋼件 C1核心區(qū)應(yīng)力狀況滿足承載力要求,折算應(yīng)力最大值在三向應(yīng)變花測(cè)點(diǎn) 10處,為 111.53 MPa,小于鑄鋼材料的屈服強(qiáng)度值 300 MPa。其中 Mises應(yīng)力在 3次加載過程中,隨加載基本呈線性變化,說明鑄鋼件應(yīng)力復(fù)雜區(qū)域也處于彈性狀態(tài)。

(3)D1節(jié)點(diǎn)支桿的應(yīng)力最大值為 72.86 MPa,核心區(qū)最大應(yīng)力為 74.61 MPa,小于鑄鋼材料的屈服強(qiáng)度值 300 MPa;D2節(jié)點(diǎn)支桿的應(yīng)力最大值為 52.6 MPa,核心區(qū)最大應(yīng)力為 107.26 MPa,小于鑄鋼材料的屈服強(qiáng)度值 360 MPa,且節(jié)點(diǎn)都處于彈性受力階段。

8 結(jié)語

(1)在車站大橋完工之前,站房鋼結(jié)構(gòu)就開始安裝,為后續(xù)工程的順利開展,為武廣鐵路客運(yùn)專線全線聯(lián)調(diào)聯(lián)試創(chuàng)造了條件。

(2)運(yùn)用 MIDAS軟件進(jìn)行施工仿真計(jì)算,保證了方案的合理性、科學(xué)性。

(3)通過過程工序的控制及結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè),既保證了質(zhì)量與安全,又印證了施工仿真計(jì)算的正確性。

(4)鑄鋼件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元分析計(jì)算數(shù)據(jù)相比較,兩者基本吻合或接近,說明鑄鋼節(jié)點(diǎn)的制作受鑄造生產(chǎn)工藝等外部因素的影響較小,采用有限元分析計(jì)算結(jié)果可靠。證明本工程鑄鋼節(jié)點(diǎn)能夠滿足承載力設(shè)計(jì)要求,結(jié)構(gòu)安全可靠。

(5)武廣鐵路客運(yùn)專線長沙南站鋼結(jié)構(gòu)工程進(jìn)展順利,在計(jì)劃時(shí)間內(nèi)封頂。造型優(yōu)美別致,實(shí)現(xiàn)了大跨度大空間的設(shè)計(jì)意圖;豎向同步,橫向逐漸推進(jìn),高空單元拼裝方案的實(shí)施,對(duì)其他工程,特別是大型鐵路高架站房工程施工具有一定的借鑒作用。

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