蔣亞銘

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040)

1 工程概況

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

2 鋼屋蓋總體安裝方案

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]。

3 鋼屋蓋安裝與提升

3.1 起重設(shè)備行走承載力驗(yàn)算

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。

3.2 總拼胎架設(shè)置

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。

3.3 提升點(diǎn)及提升架設(shè)置

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

3.4 提升時(shí)桁架局部加固及防偏心受力措施

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。

3.5 整體提升

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

3.6 分級(jí)卸載就位及變形觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置

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)。

4 結(jié)束語(yǔ)

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。