楊志龍

（山西省建設(shè)監(jiān)理有限公司， 山西 太原 030012）

1 工程概況

太原南站設(shè)計主旨為“唐風(fēng)晉韻”，屋蓋結(jié)構(gòu)造型體現(xiàn)了唐朝之風(fēng)，外墻裝飾蘊含著晉韻之美(見圖 1)，充分體現(xiàn)了山西太原作為一個歷史文化名城的獨特氣質(zhì)，成為佐證太原歷史神韻與現(xiàn)代氣息完美結(jié)合的標(biāo)志性建筑。

圖1 太原南站整體效果圖

太原南站鋼結(jié)構(gòu)屋蓋建筑造型為 48 個放射傘狀結(jié)構(gòu)單元組成的三個獨立屋蓋。其中 A、B 軸線間為結(jié)構(gòu) A 區(qū)，包含兩排傘單元結(jié)構(gòu)，C 至 G 軸線間為結(jié)構(gòu) B 區(qū)，共 5 排傘單元結(jié)構(gòu)，H 軸線為結(jié)構(gòu) C 區(qū)，包含 1 排傘單元結(jié)構(gòu)(見圖 2)。A、C 區(qū)屋蓋最高點標(biāo)高為 30.80 m，B 區(qū)屋蓋最高點標(biāo)高為35.80 m，站房屋蓋總投影面積約 8.8 萬 m2，屋蓋用鋼量 1.2萬 t。鋼結(jié)構(gòu)總重量 4.5 萬 t。

圖2 太原南站站房分區(qū)圖

太原南站屋蓋每一個傘狀單元結(jié)構(gòu)體系皆由大跨度放射空間桁架構(gòu)成。其組成主要為：柱頂節(jié)點、四角放射狀主桁架，主桁架間聯(lián)系次桁架三大部分。柱頂節(jié)點下弦截面為 □700×700×30，上弦截面為 □350×300×16，腹桿截面主要為 □250×250×10、◇300×300×10；主桁架下弦為 □700×700×12～□700×500×12 變截面箱梁，上弦桿主要為 □350×300×12、□350×200×10、□250×200×10，腹桿主要為 □250×250×10、□200×200×8、□180×180×8；次桁架截面主要為 □200×150×8、□150×150×8、φ102×5、φ83×4 等(見圖3)。

圖3 單元傘結(jié)構(gòu)形式圖

2 工程特點

2.1 現(xiàn)場安裝精度要求高

太原南站屋蓋安裝采取在地面拼裝后整體吊裝的方式，屋面主桁架與屋面分塊分別單獨拼裝成整體后進行吊裝。太原南站屋蓋安裝時先進行主桁架的安裝后進行屋面分塊的安裝，在安裝精度的控制上主要對主桁架采取精確的測量定位，屋面分塊安裝時根據(jù)主桁架的位置直接安裝。因此在進行屋面安裝過程中對屋面主桁架的安裝精度要求極高，如偏差過大很容易造成屋面分塊無法安裝。

2.2 屋面分塊吊裝難度大

太原南站屋面吊裝分塊最大尺寸為長 42.8 m，寬 23 m，最大重量達 25 t。由于拼裝場地的限制，在吊裝過程中履帶吊需提著構(gòu)件行走至吊裝地點，在行走過程中容易導(dǎo)致屋面分塊發(fā)生變形；同時由于屋面分塊尺寸過大，在使用大型履帶吊吊裝過程中容易發(fā)生卡桿等情況。太原南站屋面分塊多拼裝為不規(guī)則三角形分塊進行整體吊裝，在進行分塊吊裝掛鉤時不易找到構(gòu)件的重心，從而無法保證構(gòu)件在吊裝時的基本水平，增加了高空安裝時對接難度。

2.3 屋面結(jié)構(gòu)自重大，安裝吊裝半徑大

太原南站站房中部設(shè)計有跨度為 18 m 的地下旅客通道，在進行旅客通道上部屋面主桁架及分塊安裝過程中由于吊車無法行走在地下通道區(qū)域進行吊裝，面臨著構(gòu)件自重大，吊裝半徑過大，超出大型履帶吊起重范圍等難題。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)卸載難度大、技術(shù)含量要求高

鋼結(jié)構(gòu)安裝后，結(jié)構(gòu)平面尺度較大，且同時存在一定的高差，對如此空間大跨度結(jié)構(gòu)，卸載具有卸載點分布廣、點數(shù)多、同比卸載量變化大及單點卸載噸位大、主體結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重新分布、幾何非線性強的特點，卸載難度極大。同時在卸載過程中還面臨著如何控制卸載的同步、臨時支撐的受力安全以及如何控制結(jié)構(gòu)變形等難題。

3 大跨度放射傘狀空間桁架分塊安裝的關(guān)鍵技術(shù)監(jiān)理

3.1 臨時支撐設(shè)置過程監(jiān)理控制

根據(jù)屋面吊裝要求，結(jié)構(gòu)吊裝需設(shè)置臨時支撐架，以便分段就位。臨時支撐在整個結(jié)構(gòu)吊裝過程中起著十分重要的作用。在結(jié)構(gòu)吊裝階段，所有重量都將由臨時支撐承擔(dān)，所以臨時支撐的設(shè)置必須按吊裝要求嚴(yán)格設(shè)置。監(jiān)理在施工過程中嚴(yán)格要求，具體要求如下。

(1)臨時支撐的位置嚴(yán)格按主體結(jié)構(gòu)的分段位置設(shè)立。

(2)臨時支撐由于受力較大，且臨時支架均設(shè)置在地面或樓面上，所以必須對混凝土和桁架梁相應(yīng)結(jié)構(gòu)進行計算并加強，確保結(jié)構(gòu)不被破壞并保證吊裝的安全。

(3)臨時支撐必須保證設(shè)立后的整體穩(wěn)定性，采用剛性支撐以及纜風(fēng)繩將臨時支撐及地面穩(wěn)定加固。

(4)臨時支撐頂部的就位胎架模板的坐標(biāo)定位尺寸必須保證，用全站儀進行精確定位，以方便屋蓋結(jié)構(gòu)安裝。

根據(jù)太原南站屋蓋安裝方案及臨時支撐設(shè)置要求，臨時支撐高度分別為 34 m、25 m、6 m，截面為 1.5 m×1.5 m，立桿 φ180×6，腹桿 L80×6，材質(zhì)均為 Q235B，支撐最大受力為12 t。主站房 A 區(qū)臨時支撐設(shè)置情況(見圖 4)，B、C 區(qū)臨時支撐設(shè)置情況與 A 區(qū)基本一致。

圖4 A區(qū)主站房臨時支撐平面布置圖

3.2 屋蓋主要分塊的拼裝監(jiān)理

本工程需在現(xiàn)場拼裝(見圖 5)的構(gòu)件主要為：主站房屋面柱頂?shù)跹b單元的現(xiàn)場拼裝；屋蓋主桁架吊裝分段；主站房屋蓋次桁架分塊吊裝單元的現(xiàn)場拼裝。

3.3 屋蓋主要分塊的安裝監(jiān)理過程

3.3.1 柱頂分塊的安裝

屋蓋柱頂單元吊裝重約 48 t，安裝采用 350 t 履帶吊施工，四點吊裝法進行吊裝，通過臨時支撐胎架進行定位。吊裝就位后采用連接板與鋼柱進行固定，同時施工單位安排人員進行焊接作業(yè)，焊接完成后監(jiān)理要求有資質(zhì)的單位進行探傷，探傷合格后方可進行主桁架分塊的安裝(見圖 6)。

圖5 拼裝分塊單元示意圖

圖6 柱頂單元分塊吊裝

3.3.2 屋蓋主桁架的安裝監(jiān)理

太原南站屋面主桁架最大長度達 23 m，最大重量為 18 t。屋面主桁架安裝采用兩點吊裝法，其中一端采用倒鏈葫蘆進行掛鉤，方便在進行主桁架的安裝就位時進行調(diào)節(jié)。主桁架安裝過程中，必須通過全站儀對主桁架進行精確的測量定位，以確保屋面分塊能夠順利安裝。主桁架就位后采用連接板對主桁架進行固定，同時施工單位安排人員進行焊接作業(yè)，焊接完成后監(jiān)理要求有資質(zhì)的單位進行探傷，探傷合格后方可進行屋面分塊的安裝(見圖 7)。

圖7 主桁架安裝就位

3.3.3 次桁架分塊的安裝監(jiān)理

屋面分塊在拼裝完成后即可進行吊裝。屋面分塊吊裝時采用四點吊裝法，在掛鉤時，其中兩個掛點采用鋼絲繩，另兩個點采用倒鏈葫蘆進行掛鉤。當(dāng)掛鉤完畢后首先需對拼裝完成的屋面分塊進行脫胎，在進行屋面分塊脫胎時要注意需先將屋面分塊與拼裝胎架連接板割開并仔細檢查，防止因屋面分塊尚與胎架相連即進行吊裝造成分塊變形。當(dāng)分塊脫胎后需通過調(diào)節(jié)倒鏈葫蘆使屋面分塊下弦基本處于水平后方可進行吊裝，方便高空安裝時的對接與就位。就位后監(jiān)理工程師進行復(fù)測(見圖 8)。

圖8 屋面分塊吊裝就位

3.3.4 旅客通道上部構(gòu)件的吊裝過程控制

在吊裝旅客通道上部屋蓋鋼結(jié)構(gòu)時，由于旅客通道頂板混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載不能滿足吊車直接在其上行走，且通道頂板與自然地面之間存在高差，致使旅客通道頂部鋼結(jié)構(gòu)不能直接靠近吊裝，通過在自然地坪與出站通道頂板之間架設(shè)路基箱鋼棧橋，使吊車平穩(wěn)、安全行走在鋼棧橋上進行吊裝，有效地解決了由此帶來的吊裝難題。在吊裝過程中，專職安全監(jiān)理工程師全程監(jiān)控，確保施工安全。

3.4 屋蓋的卸載

本工程在主結(jié)構(gòu)施工吊裝完成、達到設(shè)計驗收標(biāo)準(zhǔn)后，即開始結(jié)構(gòu)的卸載施工。結(jié)構(gòu)卸載是將屋面鋼結(jié)構(gòu)從支撐受力狀態(tài)下，轉(zhuǎn)換到自由受力狀態(tài)的過程，即在保證現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐體系整體受力安全、主體結(jié)構(gòu)由施工安裝狀態(tài)順利過渡到設(shè)計狀態(tài)。本工程卸載方案遵循卸載過程中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力與變形協(xié)調(diào)、均衡、變化過程緩和、結(jié)構(gòu)多次循環(huán)微量下降并便于現(xiàn)場施工操作的原則來實現(xiàn)。

卸載過程計算中，首先對施工安裝完畢(未卸載)與卸載完畢(支撐拆除)兩種結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行計算比較，以此兩種狀態(tài)下整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、位移情況及支撐反力為基礎(chǔ)，通過設(shè)定結(jié)構(gòu)卸載施工計算原則，對整個卸載方案及過程進行分區(qū)、分步的有限元模擬計算。本工程卸載工作量非常大，擬采用交叉分級卸載方法來進行卸載，經(jīng)過比較優(yōu)選，最終確定的卸載方案如下：根據(jù)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)卸載施工模擬計算結(jié)果，采用同區(qū)等距(局部不等距)、分步實施的方法來卸載，通過分級拆除在支架或支撐頂部的胎架模板，按多次循環(huán)、微量下降的原則，來實現(xiàn)荷載的平穩(wěn)轉(zhuǎn)移。在卸載過程中，監(jiān)理全過程檢測，并在鋼結(jié)構(gòu)上布置監(jiān)控點，將各個階段坐標(biāo)記錄進行比較，避免突變，保證平穩(wěn)卸載。

4 現(xiàn)場施工質(zhì)量監(jiān)理控制

4.1 屋面結(jié)構(gòu)拼裝精度的監(jiān)理控制

為了確保屋蓋結(jié)構(gòu)的順利吊裝，在進行屋面主桁架及分塊的拼裝過程中，必須對屋面主桁架及分塊的拼裝精度進行嚴(yán)格的控制。分塊拼裝時精度應(yīng)滿足 GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》要求。拼裝時，監(jiān)理測量驗收貫穿各工序的始末，對各工序的施工測量、跟蹤檢測全方位進行監(jiān)測。為保證拼裝精確度，首先監(jiān)理工程師要求拼裝場地必須壓平壓實，滿足拼裝荷載對地面壓力的要求。拼裝時采用鋼路基箱作為主要受力平臺，鋼路基箱之間相互連接成一個整體，防止拼裝胎架在拼裝過程中產(chǎn)生較大的變形。在進行屋面主桁架及分塊拼裝過程中，還必須實時對拼裝胎架的豎向標(biāo)高進行沉降位移監(jiān)測，防止由于胎架下沉導(dǎo)致構(gòu)件拼裝變形。在屋面主桁架及分塊拼裝前還應(yīng)根據(jù)以往施工經(jīng)驗及焊接工藝評定的結(jié)果，在屋面主桁架及分塊組裝焊接前，加放必要的焊接收縮余量，在焊接過程中盡量使用 CO2氣體保護的焊接方法進行焊接，在焊接時還應(yīng)優(yōu)化焊接順序，采用從中心向四周對稱焊接的方法，減少屋面主桁架及分塊的焊接變形。

4.2 屋面分塊焊接監(jiān)理質(zhì)量控制

屋面分塊一個安裝單元的構(gòu)件吊裝就位并完成位置的校正調(diào)整和臨時固定后，即可開始進行焊接。焊接順序遵循從中間開始向四周擴散的原則進行。在焊接時先焊收縮量大的接頭，后焊收縮量小的接頭；同一構(gòu)件兩端不得同時焊接。在焊接方法的選擇上應(yīng)盡量采取 CO2焊接方法，減少焊接道數(shù)，降低焊接變形和殘余應(yīng)力。同時為保證焊接質(zhì)量，監(jiān)理要求必須在保證手工電弧焊時風(fēng)速不得超過 8 m/s，CO2氣體保護焊不得超過 2 m/s；如超過上述數(shù)值應(yīng)采取相應(yīng)的防風(fēng)措施，如利用焊接操作平臺，將平臺做成基本封閉狀態(tài)等。在冬季進行焊接作業(yè)，當(dāng)氣溫低于 －5℃ 時焊接前必須做好加熱措施，焊接完成后必須保溫，做到焊后緩冷，使接頭在冷卻時能有足夠的塑性和寬度方向均勻消除焊接收縮。焊接完畢，焊工應(yīng)清理焊縫表面的熔渣及兩側(cè)的飛濺物，檢查焊縫外觀質(zhì)量，合格后在工藝規(guī)定的部位打上焊工鋼印。焊縫如需返修，同一部位的返修次數(shù)不得超過 2 次。如超過 2 次時，必須經(jīng)過焊接責(zé)任工程師及監(jiān)理工程師核準(zhǔn)后,方可按返修工藝進行。

5 結(jié) 語

在太原南站屋蓋結(jié)構(gòu)全部施工完畢后，通過監(jiān)理對卸載后結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測及結(jié)構(gòu)安裝精度的測量和驗收，太原南站屋蓋大跨度放射傘狀結(jié)構(gòu)在受力及建筑造型上都達到了設(shè)計要求。大跨度放射傘狀空間桁架的分塊安裝技術(shù)在太原南站的應(yīng)用既有效保證了太原南站鋼結(jié)構(gòu)施工進度，也有效保障了鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，使太原南站屋面鋼結(jié)構(gòu)既能有效承受積雨、積雪、積冰等屋面荷載，也確保了屋蓋結(jié)構(gòu)能有效承受太原南站通車后帶來的震動荷載。大跨度放射傘狀空間桁架的分塊安裝技術(shù)的應(yīng)用很好地保證了太原南站屋面整體建筑效果，優(yōu)化了整體結(jié)構(gòu)的用鋼量，體現(xiàn)了太原南站建筑造型設(shè)計理念。該項技術(shù)還填補了國內(nèi)大跨度放射傘狀空間結(jié)構(gòu)安裝應(yīng)用的空白，對同類型大跨度放射傘狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工、監(jiān)理有很好的借鑒作用，具有很高的應(yīng)用推廣價值。