蔣亞銘
(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040)
星火站站房總建筑面積18.23 萬(wàn)m2,鋼結(jié)構(gòu)用量約13 000 t。 桁架鋼屋蓋采用古典京城宮殿建筑形式特征,為組合式桁架結(jié)構(gòu)體系,每個(gè)組合桁架沿中軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布,中部屋蓋組合桁架中間高聳兩邊上翹,東西兩側(cè)屋蓋組合桁架上部為一平面,組合桁架內(nèi)部包含縱橫向單片魚(yú)腹式管桁架,兩邊為變截面焊接箱型鋼梁。 通過(guò)在中間設(shè)置的斜向V 型斜柱、兩側(cè)的直管柱作為支撐,將橫向跨度為180 m 的桁架分為18 m +36 m +72 m +36 m +18 m 五部分,端部18 m 為懸挑桁架。 站房屋蓋最大投影長(zhǎng)度247 m,寬度180 m,其中中央站房區(qū)長(zhǎng)度為196 m,西站房長(zhǎng)51 m。 材質(zhì)主要為Q345C、Q345GJC,典型節(jié)點(diǎn)形式包括柱底支座節(jié)點(diǎn)、V 型柱鑄鋼節(jié)點(diǎn)、鋼柱與上部屋蓋桁架連接節(jié)點(diǎn)管桁架相貫節(jié)點(diǎn)等。 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋剖面圖見(jiàn)圖1,軸視圖見(jiàn)圖2。
圖1 屋蓋桁架剖面示意
圖2 鋼結(jié)構(gòu)整體軸側(cè)示意
星火站屋蓋鋼結(jié)構(gòu)位于9.8 m 高架層以上,在鋼桁架屋蓋下方,中央站房及西站房II-B ~I(xiàn)I ~E 軸間北側(cè)為鋼結(jié)構(gòu)夾層,南側(cè)為兩層混凝土層夾層,西站房II-B ~I(xiàn)I ~E 位置主要為三層混凝土夾層。
根據(jù)鋼桁架屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、土建施工順序及工期要求,屋蓋鋼桁架分四個(gè)區(qū)進(jìn)行施工。 根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、土建施工順序、以往類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)[1],一、二、四區(qū)南側(cè)夾層混凝土結(jié)構(gòu)甩下后做,采用分區(qū)整體提升法的方法安裝鋼桁架[2];三區(qū)鋼結(jié)構(gòu)因夾層結(jié)構(gòu)較多,將在夾層混凝土結(jié)構(gòu)施工完成后再采取整體滑移方法施工[3]。
鋼桁架拼裝單元最大重量控制在10 t,選用50 t汽車(chē)吊能滿(mǎn)足構(gòu)件的吊裝需求,汽車(chē)吊要在高架層樓面上行走和起吊,為保證結(jié)構(gòu)安全,需對(duì)樓板的承載力及結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行驗(yàn)算。
本工程采用QUY50 吊車(chē),重量42 t,其中1、2 軸負(fù)荷16 t,3、4 軸負(fù)荷26 t。 高架層梁板砼等級(jí)為C40,板厚150 mm,配筋為HRB400,雙層雙向布置間距150 mm。利用MIDAS Civil 軟件計(jì)算[4],50 t 汽車(chē)吊行走時(shí),在基本組合下,樓板的最大彎矩為28.1 kN·m;在標(biāo)準(zhǔn)組合下,樓板的最大彎矩為20.5 kN·m。
根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)抗彎承載力、鋼筋應(yīng)力、最大裂縫寬度進(jìn)行計(jì)算[5],均能滿(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。
抗彎承載力為:
樓板所使用鋼筋的應(yīng)力為:
最大裂縫寬度為:
通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知,50 t 汽車(chē)吊在高架層板上行走時(shí),樓板抗彎強(qiáng)度和裂縫等指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求,不需要進(jìn)行加固。 起吊時(shí)汽車(chē)吊支腿支設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)梁上,結(jié)構(gòu)梁上部鋪設(shè)路基箱,從而實(shí)現(xiàn)鋼構(gòu)件的吊裝。
總拼胎架地梁采用H400×200×10 型鋼,立桿采用H294×200×10 型鋼,胎架連梁為 16 型鋼。 胎架立管間用∠75×75×5 角鋼做斜撐及操作平臺(tái),作為操作平臺(tái)的角鋼跨度不得大于3 m,對(duì)于大于3 m 處的角鋼需要在跨中增加立管。 操作平臺(tái)上鋪鋼跳板。
經(jīng)驗(yàn)算,鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在拼裝時(shí),結(jié)構(gòu)最大豎向變形5 mm,最大應(yīng)力為199 MPa <305 MPa,總拼胎架結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足承載力要求。
根據(jù)屋蓋荷載傳遞路線(xiàn),盡可能利用原支承結(jié)構(gòu)作為提升吊點(diǎn),或在原支撐結(jié)構(gòu)附近設(shè)置提升支架;布設(shè)的提升點(diǎn)應(yīng)滿(mǎn)足桁架變形和應(yīng)力在相關(guān)規(guī)范可控范圍[6]。
本工程一、二、四區(qū)第一次小提升共設(shè)置20 個(gè)提升點(diǎn),均采用格構(gòu)式支架作為提升架;第二次整體提升共設(shè)置提升架66 個(gè)提升點(diǎn),其中24 個(gè)利用既有工程圓管柱提升(見(jiàn)圖3),42 個(gè)采用格構(gòu)式提升架提升(見(jiàn)圖4)。
本文采用Midas/Gen 軟件對(duì)每個(gè)分區(qū)單元進(jìn)行施工過(guò)程分析[7-8],提升點(diǎn)反力1 360 kN,桁架最大變形為77 mm(見(jiàn)圖5),提升支架最大變形為30 mm。該工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿(mǎn)足要求。
圖3 既有工程圓管柱提升架
圖4 格構(gòu)式支架提升架
圖5 桁架最大變形
屋蓋桁架提升點(diǎn)為正交桁架交匯點(diǎn),提升時(shí)盡量少斷開(kāi)原有結(jié)構(gòu)。 由于桁架為倒放三角截面,提升時(shí)需要將弦桿斷開(kāi),為保證結(jié)構(gòu)連續(xù)和完整性,使各桿件能滿(mǎn)足提升工況設(shè)計(jì)要求,需對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固(見(jiàn)圖3)。
由于鋼桁架采用分區(qū)吊裝,利用既有工程的鋼柱作為提升架,為避免東西兩側(cè)鋼管柱偏心受力,采取在鋼柱側(cè)面預(yù)埋埋件,加設(shè)提升器,防止鋼柱偏心受力,保證整體提升時(shí)整體桁架的平衡與穩(wěn)定。
本工程采用“液壓同步提升技術(shù)”[9]進(jìn)行屋蓋的分段同步提升。 整體提升系統(tǒng)配置計(jì)算機(jī)控制液壓同步提升,系統(tǒng)由鋼絞線(xiàn)及提升油缸集群(承重部件)、液壓泵站(驅(qū)動(dòng)部件)、傳感檢測(cè)及計(jì)算機(jī)控制(控制部件)和遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。本工程選用TX-80-P 型液壓泵站,每6 個(gè)相鄰提升點(diǎn)配置1 臺(tái)液壓泵站,提升油缸的規(guī)格為100 t 和200 t 級(jí)別。 各個(gè)部位的安裝工作,首先要進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,只有結(jié)構(gòu)受力及變形符合要求的情況下,才能進(jìn)行施工[10]。
鋼桁架屋蓋分為四個(gè)分區(qū),一、二、四區(qū)分別采取整體提升方案。 首先在樓板上完成胎架及屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的拼裝,然后提升中部高聳部位,再與兩側(cè)鋼結(jié)構(gòu)屋蓋連成整體,最終將屋蓋提升至結(jié)構(gòu)標(biāo)高部位(見(jiàn)圖6)。
圖6 屋蓋分段提升
鋼結(jié)構(gòu)屋蓋提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高后,首先要在空中懸停,拆除臨時(shí)加固桿件并安裝補(bǔ)充桿件,使整個(gè)屋蓋成為穩(wěn)定整體結(jié)構(gòu),然后進(jìn)行臨時(shí)支撐以及提升設(shè)備的拆除,使鋼結(jié)構(gòu)屋蓋直接坐落于鋼結(jié)構(gòu)支座上,最后進(jìn)行卸載。 卸載的過(guò)程將會(huì)引起桿件的內(nèi)力變化,并產(chǎn)生一定的變形,若局部桿件變形過(guò)大,將影響結(jié)構(gòu)的安全。 因此,卸載過(guò)程應(yīng)經(jīng)過(guò)有限元分析,其屋蓋各桿件的應(yīng)力、應(yīng)變必須滿(mǎn)足規(guī)范要求[11]。
3.6.1 分級(jí)卸載
屋面提升就位后,弦桿對(duì)接完畢,腹桿補(bǔ)裝完畢,并且焊接探傷完畢,開(kāi)始準(zhǔn)備卸載[12]。
卸載采用提升器分級(jí)下降卸載,卸載共分5 級(jí),依次為20%、40%、60%、80%,在確認(rèn)各部分無(wú)異常情況下,可繼續(xù)卸載至100%,直至提升器鋼絞線(xiàn)松弛,不再受力。 屋蓋桁架結(jié)構(gòu)自重荷載完全轉(zhuǎn)移到柱頂支座上,結(jié)構(gòu)受力形式轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)工況。
3.6.2 變形觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置
為了保證安全有序的進(jìn)行,在卸載過(guò)程中需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形觀測(cè);在屋蓋上弦共設(shè)置28 個(gè)觀測(cè)點(diǎn),觀測(cè)點(diǎn)的具體做法是根據(jù)選定的觀測(cè)點(diǎn)位置,貼上反射測(cè)量貼片。 在卸載前、卸載后聯(lián)合業(yè)主、監(jiān)理、監(jiān)控等單位對(duì)擬定的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)并記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)。
經(jīng)過(guò)本工程實(shí)踐,并結(jié)合有限元計(jì)算軟件的計(jì)算分析和提升過(guò)程的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),大型桁架鋼屋蓋整體提升技術(shù)可以快速、經(jīng)濟(jì)、高效地完成大型站房工程屋面鋼屋架的安裝施工,且支架、提升吊點(diǎn)安全穩(wěn)定,屋蓋變形數(shù)據(jù)符合規(guī)范規(guī)定要求,可為類(lèi)似工程施工提供良好借鑒。