郁 萬 斌

(悉地(北京)國際建筑設(shè)計(jì)顧問有限公司，北京 100013)

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某站房大跨度鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)滑移安裝設(shè)計(jì)研究

郁 萬 斌

(悉地(北京)國際建筑設(shè)計(jì)顧問有限公司，北京 100013)

利用有限元軟件,模擬了某站房大跨度鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)整個(gè)滑移過程，對(duì)屋蓋鋼桁架和滑移軌道的受力和變形進(jìn)行了全過程監(jiān)控和驗(yàn)算，結(jié)果表明：整個(gè)滑移過程中屋蓋鋼桁架及滑移軌道整體和局部的受力與變形計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

站房，大跨度，屋蓋鋼桁架，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 工程概況

某南站主站房總建筑面積約為46 973 m2，站房地下2層：出站層-10.5 m、地下夾層-5 m，地上3層：設(shè)備夾層4.2 m、高架層9 m、商業(yè)夾層15.04 m。

2 結(jié)構(gòu)選型

站房鋼結(jié)構(gòu)主要包括鋼立柱、屋蓋鋼桁架、高架層夾層鋼框架、灰空間幕墻鋼結(jié)構(gòu)四個(gè)部分(見圖1)。屋蓋桁架為方管桁架結(jié)構(gòu)，主要形式為平面片狀桁架，屋蓋由縱橫交叉的平面方管桁架組成，主桁架：順軌向20榀，垂軌向8榀，桁架軸線高3 m，主桁架將屋蓋分割成55塊，各分塊之間通過次桁架相連，使整個(gè)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)組合成一個(gè)整體。站房屋蓋南北寬139.58 m，東西長254.5 m，屋蓋鋼桁架最大跨度為42 m，兩側(cè)懸挑18.95 m，重約3 825 t。

屋蓋鋼桁架位于線路1站臺(tái)～7站臺(tái)上方，其中營業(yè)線有杭長場2,3道，杭甬場8,9道，普速場12,13道，擴(kuò)建場19,20道，屋蓋桁架結(jié)構(gòu)施工時(shí)，上跨8條鐵路營業(yè)線，是整個(gè)車站建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

方管桁架結(jié)構(gòu)有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[1,2]：

1)采用相貫節(jié)點(diǎn)，外形簡潔、大方，能夠較好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)美；

2)采用圓鋼管，截面回轉(zhuǎn)半徑大，能夠最大限度地利用材料；

3)防腐、清潔容易，在節(jié)點(diǎn)處各桿件直接焊接，不會(huì)形成死角和凹槽。

屋蓋鋼桁架為方管桁架結(jié)構(gòu)，主要形式為平面片狀桁架，整個(gè)屋蓋鋼桁架由橫向、縱向主次桁架組成。屋蓋鋼桁架軸測圖如圖2所示。

3 桁架安裝總體設(shè)計(jì)方案

液壓同步頂推滑移技術(shù)已成功的應(yīng)用于大型車站、會(huì)展中心、體育場館、飛機(jī)場等屋蓋鋼桁架安裝施工中[3-10]?！耙簤和巾斖苹萍夹g(shù)”采用液壓頂推器作為滑移驅(qū)動(dòng)設(shè)備[8]。

在本工程中，屋面鋼桁架滑移安裝采用液壓同步頂推滑移技術(shù)[11，12]。站房屋蓋鋼桁架施工時(shí)，站房結(jié)構(gòu)9 m層以下土建結(jié)構(gòu)已施工完畢，根據(jù)屋蓋鋼桁架規(guī)模及有限的施工場地條件，屋蓋鋼桁架施工采用“結(jié)構(gòu)分單元滑移”的施工方法進(jìn)行安裝。此方法可以有效解決上跨運(yùn)營線路、大跨度、大懸挑、起吊重量大屋蓋桁架安裝難題，能夠有效保證屋蓋結(jié)構(gòu)的施工安裝經(jīng)濟(jì)安全[13]。具體安裝總體思路如下。

將整個(gè)屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)劃分為9個(gè)滑移單元(分別用A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，B5表示)，其中A1單元、B1單元的桁架、檁條及拉桿在原位拼裝完成，A2，A3，A4，B2，B3，B4，B5單元的桁架、檁條、拉桿在拼裝胎架上拼裝完成后分別單獨(dú)滑移到安裝位置?；魄皩⑼馓翳旒艿挠推嵬垦b完成，減少灰空間位置油漆涂裝施工對(duì)既有線的影響，其余油漆施工則在桁架滑移到位后涂裝。

鋼桁架滑移施工前，搭設(shè)安裝好拼裝胎架平臺(tái)和滑移軌道。拼裝胎架平臺(tái)采用成品格構(gòu)柱+H型鋼梁組合而成，搭設(shè)在東、西站房兩端?；栖壍拦苍O(shè)置4條，軌道分別位于②軸，⑤軸，⑧軸，軸，其中⑤軸，⑧軸兩條位于高架范圍9 m層混凝土樓板上方，②軸，軸位于高架范圍外側(cè)的灰空間位置(見圖3)。在站房四角設(shè)4臺(tái)作業(yè)半徑80 m的塔吊，作為構(gòu)件垂直運(yùn)輸設(shè)備。

4 鋼桁架滑移過程設(shè)計(jì)及驗(yàn)算分析

4.1 鋼屋蓋結(jié)構(gòu)滑移過程驗(yàn)算

本滑移過程采用Midas GEN V836有限元程序仿真分析，分析確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大應(yīng)力和變形，以驗(yàn)證是否滿足規(guī)范要求[14]。模型中標(biāo)準(zhǔn)荷載組合：1.0D；基本荷載組合：1.4D。并考慮溫度荷載20 ℃～42 ℃，其中，D為被滑移結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重。

屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)滑移過程計(jì)算結(jié)果如表1所示。通過表1可知：

1)單元一滑移過程中，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比0.27，結(jié)構(gòu)最大豎向變形為25 mm，滑移點(diǎn)軌道間距為42 000 mm，變形為軌道間距長的1/1 680，滿足規(guī)范[13-16]小于1/400的要求，滑移階段結(jié)構(gòu)安全。2)單元二滑移過程中，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比0.31，結(jié)構(gòu)最大豎向變形為24 mm，變形為軌道間距長的1/1 750，滿足規(guī)范[13-16]小于1/400的要求，滑移階段結(jié)構(gòu)安全。

表1 滑移階段施工驗(yàn)算結(jié)果匯總

4.2 站房鋼結(jié)構(gòu)滑移軌道設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

本工程為新建杭長客專杭州南站站房工程屋面鋼結(jié)構(gòu)滑移軌道設(shè)計(jì)，軌道主要由主桁架，水平桁架及支撐柱組成(見圖5)。主桁架高3 m，軌道全長約240 m。

4.2.1 設(shè)計(jì)荷載

1)恒載。

結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)加載并計(jì)算，并考慮1.08的節(jié)點(diǎn)增大系數(shù)；

2)溫度作用。

初始溫度15 ℃，考慮升溫30 ℃，降溫15 ℃；

3)活荷載。

活荷載為根據(jù)工況計(jì)算得到的鋼屋蓋滑移支座反力；

4)水平荷載。

包括風(fēng)荷載及鋼屋蓋滑移支座水平力。對(duì)于單個(gè)滑移支座，風(fēng)荷載為7.5 kN,支座水平力為13 kN,綜合考慮水平荷載20 kN；滑移過程中滑塊與滑道有20 mm的間隙，根據(jù)工況計(jì)算，理論上滑塊與滑道不會(huì)接觸?；七^程中應(yīng)及時(shí)采取糾偏措施，防止鋼屋蓋向一側(cè)整體偏移；

5)動(dòng)力荷載。

根據(jù)滑移工況，液壓系統(tǒng)在啟停工況下動(dòng)荷載極小，考慮1.05的動(dòng)力放大系數(shù)。

4.2.2 軌道滑移計(jì)算結(jié)果

1)應(yīng)力比結(jié)果分析。

本次應(yīng)力比提取綜合考慮Midas施工步模型，顯示軌道在各施工步下桿件的最大應(yīng)力比。桿件最大應(yīng)力比為0.85，出現(xiàn)在斜腹桿中，大于0.8且小于0.85的桿件有6根。

2)滑移整體變形分布結(jié)果分析(以東站房滑移為例)。

a.東站房第二次滑移：滑移軌道最大綜合變形為14 mm，最大豎向變形為9 mm，軌道單跨為33 500 mm，變形為軌道跨度的1/3 722，滿足規(guī)范要求。

b.東站房第三次滑移：滑移軌道最大綜合變形為19 mm，最大豎向變形為9 mm，軌道單跨為33 500 mm，變形為軌道跨度的1/3 722，滿足規(guī)范要求。

c.東站房第四次滑移：滑移軌道最大綜合變形為21 mm，最大豎向變形為9 mm，軌道單跨為33 500 mm，變形為軌道跨度的1/3 722，滿足規(guī)范要求。

3)滑移梁局部驗(yàn)算。

根據(jù)滑移工況計(jì)算，滑移支座反力計(jì)算值為2 005 kN。計(jì)算模型如圖6所示，由計(jì)算結(jié)果可知，滑移軌道最大應(yīng)力為177 MPa，發(fā)生在軌道梁腹板位置，滑塊作用的局部位置應(yīng)力較小，滿足要求。

4)斜腹桿驗(yàn)算。

為驗(yàn)算斜腹桿，現(xiàn)在模型中施加方向相反的500 kN力，模擬滑移過程中滑移梁及腹桿的受力，由于滑移梁是上翼緣受壓，在滑移點(diǎn)局部范圍內(nèi)對(duì)于此處滑移梁是受軸拉，可以有效改善此處滑移梁及斜腹桿的應(yīng)力情況。

5 結(jié)語

針對(duì)某南站主站房屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工程難點(diǎn)，對(duì)于上跨既有運(yùn)營鐵路大跨度鋼桁架屋蓋滑移施工，有必要利用有限元軟件對(duì)整個(gè)滑移過程進(jìn)行全過程模擬分析研究，對(duì)屋蓋鋼桁架的受力和變形進(jìn)行全過程監(jiān)控和驗(yàn)算，以保證屋蓋桁架在滑移安裝過程中的安全可靠性。為未來上跨既有運(yùn)營鐵路工程施工提供參考和依據(jù)，具有很高的推廣價(jià)值。

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Research on large-span steel roof structure design of a station building

Yu Wanbin

(InternationalArchitecturalDesignConsultingCo.,Ltd,Beijing100013,China)

Using finite element software, the paper simulates large-span steel roof structure sliding process of the station building, carries out whole-process monitoring and check calculation of the steel roof truss and sliding rail stress and deformation. Results show that: the whole and local stress and deformation calculation results of steel roof truss and sliding rail meet demands.

station building, large-span, steel roof, structural design

1009-6825(2017)09-0046-03

2017-01-17

郁萬斌(1981- )，男，工程師

TU248.1

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