陳 堅

1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092；2. 上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

金山火車站位于上海市金山區(qū)山陽鎮(zhèn)金山新城。站區(qū)面積約1.6 hm。金山火車站南站房東西長約144 m，南北寬約39 m，屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計形式頗似海鷗。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主要包括4 根鋼管柱和波浪形桁架結(jié)構(gòu)鋼屋蓋。桿件類型主要為圓鋼管，鋼材主要采用Q345B，鋼板厚度最小為6 mm，最大為35 mm。鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約400 t。

1.1 鋼柱

除兩側(cè)混凝土柱外，中間大跨度部位共有4 根圓鋼管柱，鋼管柱兩端均為鉸接形式。其中位于D軸的鋼柱配合幕墻向南成9°角單向傾斜。

1.2 鋼屋面

南站房鋼屋蓋整體呈波浪形，中部最高點約23 m，并向南側(cè)呈弧形懸挑8 m。鋼屋蓋有3 個波形，中間波高約8.3 m，兩側(cè)波高約4.8 m。屋蓋采用雙向主次鋼桁架，桁架高度約2 m，上下弦桿及腹桿桿件均采用圓形鋼管。大跨度屋蓋上表面布置交叉支撐，以提高鋼屋蓋的平面內(nèi)剛度，主次桁架間通過焊接節(jié)點連接（圖1）。

圖1 鋼屋蓋立面

2 工程難點分析

2.1 施工條件較差

因本工程臨近正在營運的鐵路軌道線，對施工安全管理的要求特別高，在火車開行時，鐵軌上方及安全區(qū)域都禁止進(jìn)行任何施工作業(yè)，這對工程安全管理帶來很大的難度，大大延緩了施工進(jìn)程。

2.2 波浪形桁架空間定位要求高

鋼屋蓋平面、立面都為波浪形，形成空間三維曲面管桁架結(jié)構(gòu)形式，主次桁架通過焊接連接。由于鋼管曲線弧度不同、管壁較薄，每榀桁架焊接節(jié)點較多，且南側(cè)10～13軸間桁架最大懸挑跨度為8 m，各種因素造成了曲線屋面空間定位難度較高，這對測量校正工作提出了很高的要求。

2.3 管桁架臨時固定困難

管桁架采取分段吊裝時，在形成相對穩(wěn)定的系統(tǒng)之前，單榀桁架都必須在操作空間狹窄的混凝土柱頂進(jìn)行臨時固定，必須采取有效的固定措施確保桁架的穩(wěn)定。

2.4 卸載過程受力系統(tǒng)轉(zhuǎn)換復(fù)雜

鋼屋面中間大跨度的管桁架使用鉸接節(jié)點的鋼管柱支撐，在桁架形成整體結(jié)構(gòu)前，鋼管柱不得作為受力桿件。為確保屋面整體的穩(wěn)定和系統(tǒng)的柔性變性，設(shè)計了承重腳手架以臨時支撐桁架。鋼管柱安裝時，要采取有效臨時固定措施，確保在卸載過程受力系統(tǒng)的有效轉(zhuǎn)換。

3 施工工藝選擇

為確保整個施工過程的安全實施，經(jīng)過方案綜合比較，本工程采用行走式塔吊跨外分段由兩側(cè)向中間安裝曲線管桁架，以全站儀三維空間定位。對于施工過程中的承重腳手架和臨時固定等措施，專門進(jìn)行了設(shè)計，并選擇合理的形式。選用安裝設(shè)備為：1 臺M440D行走式塔吊作為安裝主機(jī)，1 臺25 t汽車吊作為安裝輔機(jī)。

鋼結(jié)構(gòu)安裝及吊裝順序如圖2、圖3所示。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)安裝立面

圖3 鋼屋蓋桁架吊裝順序

4 主要技術(shù)措施

4.1 行走式塔吊基礎(chǔ)加固

M440D行走式塔吊的軌道，一側(cè)置于消防室外首層板邊側(cè)的自然地面上，另一側(cè)置于－3.4 m標(biāo)高的施工便道上。為保證塔吊的安全行走，對置于自然地面一側(cè)的軌道基礎(chǔ)進(jìn)行了加固處理。沿全軌道長度由下而上依次為：第1道先鋪設(shè)寬3 500 mm、 厚400 mm大石塊，用100 kN級振動式壓路機(jī)先后用靜載和動載將石塊基礎(chǔ)壓實，第2道鋪設(shè)寬2 500 mm、厚450 mm的道渣，壓路機(jī)壓實。最后，在道渣之上鋪設(shè)寬1 800 mm 、厚250 mm細(xì)石，再用壓路機(jī)壓實并找平，以確保地基承載力滿足行走式塔吊的要求。施工便道一側(cè)則通過鋪攤黃砂找平，最終確保兩軌道基礎(chǔ)頂面標(biāo)高相同。

4.2 桁架吊裝過程計算[1-3]

根據(jù)桁架不同的截面型式，使用MIDAS對桁架進(jìn)行整體建模，分別計算吊裝過程中的變形及應(yīng)力計算，最后決定主桁架采用四點吊方案（圖4）。

圖4 桁架吊裝示意

4.3 鋼屋蓋桁架測量定位

先由總包方提交一套首級控制網(wǎng)，經(jīng)復(fù)核符合精度要求后，依此建立鋼結(jié)構(gòu)安裝工程用（平面、高程）控制網(wǎng)。布網(wǎng)過程中，在首級控制點上分別架設(shè)全站儀，角度觀測四測回；超過3 個方向時，采用全圓觀測；距離采用往返測；精測時間選用早上和傍晚2 個溫度大致相等的時間段進(jìn)行；外業(yè)工作結(jié)束后，進(jìn)行嚴(yán)密平差；用精密水準(zhǔn)儀通過閉合導(dǎo)線進(jìn)行高程控制點引測，在鋼結(jié)構(gòu)施工區(qū)域引測3 個高程控制點，以此形成高程控制網(wǎng)；所測得數(shù)據(jù)由監(jiān)理驗收合格后，完成鋼結(jié)構(gòu)平面和高程控制網(wǎng)的布設(shè)。

鋼桁架為空間結(jié)構(gòu)，聯(lián)系節(jié)點較多，由加工廠直接運至現(xiàn)場或在現(xiàn)場拼裝的桁架都必須進(jìn)行預(yù)檢工作。故預(yù)檢前應(yīng)先根據(jù)所需預(yù)檢桁架的深化圖，計算出各個節(jié)點的尺寸，預(yù)檢時復(fù)核各個節(jié)點的相對關(guān)系，比較其實測值和設(shè)計值，符合精度要求的方可安裝。

桁架在安裝時，直接在控制點使用全站儀對桁架基準(zhǔn)點進(jìn)行三維空間定位。桁架采用液壓千斤頂校正，校正定位后，先臨時固定。為了確保鋼桁架的側(cè)向穩(wěn)定，在主桁架臨時固定后，相鄰主桁架之間次桁架應(yīng)及時安裝固定，以形成節(jié)間穩(wěn)定體系。

4.4 混凝土柱頂桁架臨時固定措施[4,5]

混凝土柱頂主桁架通過牛腿直接焊接在柱頂埋件上，且主桁架高約2 m。因此在單榀主桁架精確定位后、次桁架尚未安裝及形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)前，必須采取有效的臨時固定措施，使得主桁架能夠固定牢靠。本施工現(xiàn)場在主桁架兩側(cè)使用20#槽鋼形成夾具對主桁架進(jìn)行固定，槽鋼根部固定在埋件上（圖5）。

圖5 主桁架臨時固定立面和平面示意

4.5 鋼管柱臨時定位措施[4,5]

南站房候車大廳4 根高16 m的鋼管柱兩頭為鉸接形式。兩根斜鋼柱配合幕墻向南成9°角單向傾斜，與鋼屋蓋連接，斜度難以控制；2 根鋼直柱頂與鋼屋蓋鉸接且標(biāo)高+6.5 m處北側(cè)有雨棚牛腿與雨棚鋼梁連接，使鋼直柱定位過程中而受到偏心影響。故在安裝時采取對垂直鋼管柱和斜柱分別采取針對性定位安裝臨時固定措施，以保證后續(xù)鋼屋蓋桁架的安裝。

4.5.1 垂直鋼管柱臨時固定

2 根鋼直柱北側(cè)有雨棚牛腿與雨棚鋼梁連接，使鋼直柱定位過程中受到偏心影響。因此，在現(xiàn)場采取了有效的臨時固定措施（圖6）。

圖6 垂直鋼管柱臨時固定措施

安裝前，先進(jìn)行柱腳固定臨時措施構(gòu)件的安裝。鋼柱吊裝時，利用柱頂兩端牛腿，采用兩點吊裝，將鋼柱安裝在固定措施構(gòu)件內(nèi)，用水準(zhǔn)儀控制柱頂標(biāo)高，經(jīng)緯儀進(jìn)行垂直度控制，并在柱頂拉設(shè)3 根纜風(fēng)繩以調(diào)節(jié)三維坐標(biāo)。校正到位后，鋼柱與鋼環(huán)間用鋼楔墊實，纜風(fēng)繩用倒鏈抽緊固定。

4.5.2 斜鋼柱安裝及其承重腳手架設(shè)計

2 根斜鋼柱配合幕墻向南成9°角單向傾斜，且上下兩端都采用鉸接節(jié)點。在鋼屋面形成整體結(jié)構(gòu)前，傾斜鋼柱將無法受力。我們遂在施工現(xiàn)場設(shè)計了承重腳手架，并對安裝桁架時的承重腳手架應(yīng)力和變形情況進(jìn)行了計算分析，以確保安裝過程的質(zhì)量和安全。在傾斜鋼管柱校正完畢后，使用承重腳手配合纜風(fēng)繩固定，來保證安裝定位的精度（圖7）。

圖7 承重腳手架

4.6 焊接質(zhì)量控制

本工程臨近東海，施工現(xiàn)場風(fēng)比較大且空氣濕度也比較大，為此，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和鋼管桁架的特點進(jìn)行了專項焊接工藝試驗。共選擇CO2氣體保護(hù)焊和手工電弧焊2 種不同的焊接方法進(jìn)行焊接，并經(jīng)試驗段焊接，結(jié)合施工進(jìn)度、質(zhì)量和安全方面綜合比較，最后確定了屋面鋼桁架焊接使用手工電弧焊，并制定了有效的焊接作業(yè)指導(dǎo)書。

現(xiàn)場焊工嚴(yán)格按照焊接作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行焊接，焊縫外觀質(zhì)量驗收后進(jìn)行了超聲波無損檢測?，F(xiàn)場一級焊縫共878 條，一次合格872 條，一次合格率99.3%，經(jīng)一次返修后全部合格。業(yè)主委托第三方采用超聲波無損檢測結(jié)果也都為一次通過，合格率100%。

4.7 桁架卸載[6]

鋼屋蓋由東、西兩側(cè)對稱安裝至中間合攏段，在合攏段安裝、焊接完后再進(jìn)行鋼屋蓋的整體卸載。屋蓋卸載前，在桁架上設(shè)置了卸載變形監(jiān)測基準(zhǔn)點，測量員對南站房無柱區(qū)域合攏段桁架進(jìn)行側(cè)向彎曲、垂直度和擾度等數(shù)據(jù)定期監(jiān)測，確認(rèn)了結(jié)構(gòu)的自身變形情況。在卸載過程中，實時監(jiān)測基準(zhǔn)點的變形情況，整個卸載過程安全可靠。屋蓋系統(tǒng)主、次桁架形成整體體系卸載后，基準(zhǔn)點變形最大值為5 mm，符合規(guī)范要求，在可控范圍之內(nèi)。

5 結(jié)語

根據(jù)上海鐵路金山站波浪形大跨度管桁架鋼屋蓋工程的實施結(jié)果來看，無論是吊裝機(jī)械選擇、安裝工藝還是臨時支撐設(shè)計等，都有效地保證了鋼管桁架安裝的順利進(jìn)行，確保了施工的質(zhì)量和安全要求。臨時支撐卸載過程中結(jié)構(gòu)傳力明確，屋架整體結(jié)構(gòu)變形均保持在允許范圍之內(nèi)，順利實現(xiàn)了由臨時支撐到永久支撐的轉(zhuǎn)化。同時運用計算機(jī)仿真分析技術(shù)，確保了在管桁架吊裝過程中和擱置后的臨時支撐及承重腳手架的安全性，相關(guān)施工技術(shù)可供后續(xù)類似的工程借鑒（圖8、圖9）。

圖8 桁架現(xiàn)場

圖9 金山站屋面施工完成