王丹寧

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司城建院, 西安　710043)

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西寧站站房大跨拱型桁架高空滑移技術(shù)研究

王丹寧

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司城建院, 西安710043)

摘要：為了滿足施工進(jìn)度和吊裝空間要求,西寧火車站屋面大跨拱型桁架采用高空滑移法安裝。高空滑移法作為大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)常用的施工技術(shù)具有施工作業(yè)面小、吊裝就位準(zhǔn)確性高、結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量高等綜合技術(shù)優(yōu)勢。但屋蓋結(jié)構(gòu)在整體滑移過程中結(jié)構(gòu)的邊界條件、荷載狀態(tài)、內(nèi)力分布均時刻發(fā)生著變化,且影響因素相互關(guān)聯(lián),因此需要對屋蓋結(jié)構(gòu)高空滑移的全過程進(jìn)行計算分析。設(shè)計中利用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)整體有限元模型,對西寧站站房屋面大跨度鋼桁架在累積滑移施工過程進(jìn)行全過程模擬分析,對屋面桁架和滑移過程中的支撐胎架的受力和變形進(jìn)行全程監(jiān)控和驗算。

關(guān)鍵詞：鐵路客站；屋面鋼桁架；高空滑移法；有限元模型；全過程模擬分析；支撐胎架；結(jié)構(gòu)驗算

1工程概況

西寧站站房建筑面積59 866 m2，站房主體結(jié)構(gòu)形式為大跨度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其屋面采用大跨度鋼管桁架結(jié)構(gòu)形式，屋蓋尺寸140 m×255 m(圖1，圖2)。橫向(順軌)主受力桁架拱形平面桁架結(jié)構(gòu)形式，中部最大跨度79 m，兩側(cè)為18 m，檐口部懸挑15.3 m，縱向(垂軌)主受力桁架為矩形平面桁架結(jié)構(gòu)形式，最大跨度21.5 m，端部懸挑5.45 m。桁架在支座處最大高度7.205 m，中部最小高度為4.5 m，下弦支座處高程31.35 m，上弦最高點高程41.990 m。站房屋蓋結(jié)構(gòu)通過主、次桁架及屋面支撐連接成為一個整體，支撐在傾斜角度為72°的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土框架柱柱頂[1]，總用鋼量達(dá)1 370 t。

圖1　西寧站房整體結(jié)構(gòu)模型

圖2　屋面鋼桁架結(jié)構(gòu)三維模型

2屋面鋼桁架安裝方案確定

對西寧火車站的屋蓋結(jié)構(gòu)安裝而言，鋼結(jié)構(gòu)吊裝噸位大，現(xiàn)場條件狹小，且在屋蓋吊裝期間仍穿插土建施工在施工。若采用在已經(jīng)施工完的候車廳樓板上吊裝，則需要在樓板下設(shè)置大量臨時支撐，并且需對支撐下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，不經(jīng)濟(jì)且影響現(xiàn)場其他作業(yè)施工，同時經(jīng)過調(diào)查，現(xiàn)場條件也無法滿足在屋蓋外側(cè)場地設(shè)置大型起重機的條件。綜合考慮各種因素，站房屋蓋安裝采取在端跨組裝、高空累計滑移的施工方案：分段的桁架結(jié)構(gòu)在可滑移的拼裝架上就位拼裝完成，移動拼裝支架，再拼接下一段桁架結(jié)構(gòu)，如此反復(fù)，直至屋蓋結(jié)構(gòu)拼裝完成[2](圖3)。此種方法可以有效解決起重機難以吊裝的問題，能夠有效保證屋蓋結(jié)構(gòu)的施工安裝經(jīng)濟(jì)安全[3-4]。

圖3　屋面鋼桁架滑移單元(單位：mm)

在本工程中，屋面鋼桁架滑移安裝方案中采用超大型構(gòu)件液壓同步滑移施工技術(shù)[5]，此技術(shù)具有如下的優(yōu)點。(1)與傳統(tǒng)的卷揚機鋼絲繩(鋼絞線)牽引不同，頂推滑移啟動和制動時，不會因為有柔性鋼絞線的延伸而使得鋼屋面抖動或顫動，且液壓爬行器滑移過程的推進(jìn)力及推進(jìn)速度完全可測和可控。計算機系統(tǒng)通過傳感器檢測液壓爬行器的推進(jìn)力及速度，控制各爬行器之間的協(xié)調(diào)同步，當(dāng)有意外超載或同步超差時，系統(tǒng)會及時做出調(diào)整并發(fā)出報警信號，從而使滑移過程更加安全可靠。(2)液壓爬行器頂推滑移時，與牽引(鋼絞線柔性連接)滑移方式不同，液壓爬行器與待滑移構(gòu)件間采取剛性連接，該連接方式對于滑移跨度及跨距較大、榀數(shù)較多的屋面時，其各滑移(頂推)點的同步性控制較好，各榀屋面支座就位準(zhǔn)確性高。(3)設(shè)備體積小、質(zhì)量輕，可擴(kuò)展組合，多點推拉，分散構(gòu)件、框架柱、滑移梁的受力。(4)推移頂推反力由距構(gòu)件很近的一段軌道直接承受，因此對軌道基礎(chǔ)處理要求低。(5)頂推滑移啟動、制動時的加速度極小，框架柱、滑移梁上不會有過大的動荷載，使得滑移臨時設(shè)施用量降至最小。(6)每榀拼裝的屋面結(jié)構(gòu)與累積滑移可同時施工，互不影響，加之液壓滑移作業(yè)絕對時間較短，能夠有效保證屋蓋結(jié)構(gòu)的安裝工期。

根據(jù)現(xiàn)場施工條件和鋼結(jié)構(gòu)自身特點，將進(jìn)行滑移安裝的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋劃分以下4個部分(圖4):A1～A7為A區(qū)：P軸線-S軸線及P軸線南側(cè)懸挑部分，總質(zhì)量約800 t，滑移距離約70 m；B1～B7為B區(qū)：K軸線-N軸線及N軸線北側(cè)懸挑部分，總質(zhì)量約800 t，滑移距離約140 m；C1～C3為C區(qū)：J軸線-K軸線及J軸線南側(cè)懸挑部分，總質(zhì)量約250 t，滑移距離約55 m；D1～D7為D區(qū)：G軸線-H軸線及H軸線北側(cè)懸挑部分，總質(zhì)量約320 t，滑移距離約28 m。

其中A區(qū)及B區(qū)為高速場，在S軸北側(cè)拼裝，由北向南累積滑移。C區(qū)及D區(qū)為普速場，在G軸南側(cè)拼裝，由南向北累積滑移。

圖4中A類支座為原結(jié)構(gòu)支座，在K、M、P、R軸處設(shè)置頂推點，B類支座為臨時支座，不設(shè)置頂推點，C類支座為臨時支座，僅在第一次滑移時使用。

圖4　屋面鋼桁架滑移分區(qū)平面示意(單位：mm)

3滑移施工過程驗算

滑移法雖然在許多工程中已經(jīng)有應(yīng)用，但是隨著結(jié)構(gòu)跨度的增大，結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新，對滑移施工的工藝和質(zhì)量控制要求也越來越高，施工過程會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力和變形發(fā)生變化，因此有必要對滑移過程中結(jié)構(gòu)受力和變形進(jìn)行全過程分析，以確保屋蓋結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全可靠。

由于屋蓋鋼桁架滑移施工是一個動態(tài)過程，隨著累積滑移的施工，子結(jié)構(gòu)在不斷地加入已經(jīng)安裝的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)在不同的施工階段，桁架都會發(fā)生變形和呈現(xiàn)不同的內(nèi)力狀態(tài)，在單獨的每個施工階段內(nèi)，鋼桁架為線形受力特性，但在整個施工過程中，其受力為非線性特性，甚至在結(jié)構(gòu)成型的過程中會因安裝狀態(tài)的原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)變形過大或者發(fā)生強度破壞和失穩(wěn)破壞[5-6]。通過整體模型計算，無法準(zhǔn)確計算各施工階段桿件的受力和變形。因此，在西寧站房屋蓋結(jié)構(gòu)模型計算中采用全過程施工模擬技術(shù)，計算各個施工階段屋蓋桁架各個桿件的受力和變形，同時可計算出滑移過程中臨時支撐及滑移梁的各個支座反力，用以驗算滑移過程中站房混凝土柱和梁在支座反力作用下的受力是否滿足要求。

本次施工過程驗算，采用國際通用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000 V15.1.0進(jìn)行計算。

3.1鋼屋蓋結(jié)構(gòu)滑移過程驗算

3.1.1滑移過程的邊界條件和荷載

在屋蓋結(jié)構(gòu)計算模型中，滑移軌道對屋蓋結(jié)構(gòu)的豎向(z向)簡化為固定鉸支座[7]；軌道平面外水平約束(x向)簡化為彈性約束，彈簧剛度0.1 N/m；沿滑移方向水平約束(y向)頂推器作用處支座(A類)簡化為固定鉸支座，其他支座(B類)處，作用有與滑移方向相反的摩擦力F1、F2、…、Fn，摩擦系數(shù)取μ=0.15。

在屋蓋滑移中，每兩個滑移支座間有桁架連接，其剛度較大，滑移過程中，支座相對位移較小，結(jié)合類似工程經(jīng)驗，在滑移過程驗算中，忽略由支座相對位移造成的支座豎向反力的變化。因此屋蓋滑移中主要有以下幾種荷載：

(1)屋蓋自重：記為D；

(2)頂推力：采用固定鉸支座模擬，見圖5；

(3)摩擦力，記為F；站房鋼屋面結(jié)構(gòu)A、B分區(qū)的最大滑移質(zhì)量約為800 t，C、D分區(qū)的最大滑移質(zhì)量約為320 t，根據(jù)以往工程的經(jīng)驗，滑移靜摩擦系數(shù)取0.15(動摩擦系數(shù)約為0.1～0.15)，則A、B分區(qū)最大摩擦力為F=1 200 kN，C、D分區(qū)的最大摩擦力為F=480 kN。

圖5　滑移頂推點布置

3.1.2各個施工階段計算模型

圖6　B區(qū)屋面鋼桁架各滑移單元計算模型(SAP2000 V15.1.0)

單元滑移法的施工過程根據(jù)施工階段的工藝不同可分為兩類計算模型：分塊計算模型和累積計算模型。本工程線性分析采用各個施工階段建立分塊模型單獨計算，并對累積后整體模型進(jìn)行驗算，通過各個階段模型的結(jié)構(gòu)分析確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大應(yīng)力和變形，以驗證是否規(guī)范要求[8]。以B區(qū)為例對鋼屋蓋的滑移過程進(jìn)行全過程施工模擬分析，見圖6。

3.1.3各個施工階段滑移過程驗算結(jié)果

屋蓋結(jié)構(gòu)滑移過程計算結(jié)果如表1所示，通過表1可知：(1)在滑移過程中，由于結(jié)構(gòu)荷載以自身重力和施工荷載為主，結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力過渡十分均勻，未出現(xiàn)過大的應(yīng)力部位，最大應(yīng)力比僅為0.43， 表明鋼桁架在施工過程中有較大的安全儲備，傳力穩(wěn)定可靠；(2)結(jié)構(gòu)最大豎向位移為40.95 mm(跨中)，11.91 mm(懸挑端)，跨中撓度僅為跨度的1/1 930，滿足相關(guān)規(guī)范的要求[3-9]?，F(xiàn)場通過對滑移階段的結(jié)構(gòu)豎向變形數(shù)值檢測對比可以看出，模擬計算值和檢測值變化趨勢基本一致：結(jié)構(gòu)初始剛度較弱，變形較大，隨著滑移的累積，后期剛度逐步提高，豎向變形整體得到下降。

3.2鋼屋蓋結(jié)構(gòu)滑移過程臨時支撐結(jié)構(gòu)驗算

由于每次累積拼裝滑移部分為2榀桁架，而原結(jié)構(gòu)2個支座(框架柱位置)間還有3榀次桁架，故需在這3榀次桁架中的中間一榀桁架處設(shè)置臨時支座，確保滑移過程中的結(jié)構(gòu)受力。另外，首次拼裝及滑移時，由于僅有1榀桁架沒有設(shè)計支座，為保證滑移平穩(wěn)，在沒有設(shè)計支座的桁架處也設(shè)置1個臨時支座(在第二次滑移時拆除)。

表1　滑移階段施工驗算結(jié)果匯總

3.2.1荷載和邊界條件

滑移梁跨中支撐在支撐架上，支撐架支撐在高程16.8 m(結(jié)構(gòu)高程)的框架梁上；滑移梁兩端支撐在原結(jié)構(gòu)框架柱上。在臨時支撐結(jié)構(gòu)計算模型中，格構(gòu)式跨中支撐架柱底簡化為固定鉸支座；滑移梁與原結(jié)構(gòu)框架柱連接簡化為剛接支座[10]。計算臨時支承系統(tǒng)的荷載為：

(1)臨時支撐自重，記為D；

(2)滑移結(jié)構(gòu)的豎向支座反力，記為L。

3.2.2臨時支撐計算模型(圖7)3.2.3滑移過程中臨時支撐計算結(jié)果(表2)

圖7　臨時支撐計算模型

表2　滑移階段臨時支撐驗算結(jié)果

通過表2可看出，滑移過程中的臨時支撐滿足規(guī)范中相關(guān)受力和變形的要求。同時通過分析計算得出，在標(biāo)準(zhǔn)組合工況下支撐在站房混凝土框架柱側(cè)的滑移梁傳給柱的最大荷載為1 658 kN(豎向)，臨時支撐架柱腳最大反力為249 kN，用以驗算混凝土框架柱及高程16.8 m處框架梁受力。

4結(jié)語

(1)對于類似的大型屋面鋼結(jié)構(gòu)通過合理選擇安裝方案，可有效地解決鋼屋蓋下部作業(yè)面施工場地受限問題，加快施工進(jìn)度。

(2)對于高空滑移法施工方案，施工工藝、施工順序的不同都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的受力和變形發(fā)生變化，因此有必要對其進(jìn)行施工階段的模擬分析技術(shù)，以保證屋蓋結(jié)構(gòu)在安裝過程中的安全可靠。

(3)滑移施工過程中的臨時支撐、滑移梁會對站房主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加荷載，設(shè)計中需要考慮此部分荷載作用下站房主體結(jié)構(gòu)的受力。

(4)有限元軟件為施工過程力學(xué)分析提供了模擬平臺，也為深入了解施工工藝的力學(xué)特點提供了有益途徑。上述對大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的安裝方案的確定和模擬施工計算方法可對今后類似工程提供參考。

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Research on Sliding of Large-span Arch Truss of Xining Station BuildingWANG Dan-ning

(China Railway First Survey & Design Institute Group Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：In order to meet the requirements for construction schedule and loading space, a sliding method is employed to install large-span arched roof truss of Xining railway station building. The method is commonly used due to such advantages as less hoisting space, high positioning accuracy and good structuring quality. As the roof structure in the process of sliding, the boundary conditions, loading status and internal force distribution tend to change and interact, the entire sliding process needs to be calculated and analyzed. The finite element software is used in the design to simulate the entire process of sliding, and to monitor and verify the stress and deformation of the supporting bracket

Key words：Railway passenger station; Steel roof truss; Sliding method; Finite element model; Simulation and analysis of entire; Supporting bracket; Structure calculation

中圖分類號：TU248.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.033

文章編號：1004-2954(2015)05-0146-04

作者簡介：王丹寧(1983—)，男，工程師，2008年畢業(yè)于西安建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:2944221875@qq.com。

收稿日期：2014-07-22； 修回日期：2014-08-27