王靜波，姬建華

(中鐵電氣化局集團北京建筑工程有限公司，北京 100039)

1 工程概況

廣清城際廣州北站位于廣州市花都區(qū)既有武廣高鐵廣州北站西側(cè)，站場規(guī)模為四臺六線，車站采用“高架候車+線側(cè)站房”的布局方式，站房總建筑面積41 748.71m2。車站地上2層，首層為售票廳及站臺層，2層為高架候車層，地下1層為出站層，采用上進(jìn)下出的旅客流線模式(見圖1)。

圖1 廣清城際廣州北站

車站鋼屋蓋由12個傘狀網(wǎng)架單元按照4×3方式組成，其中東側(cè)4個單元鄰近武廣高鐵站臺，東側(cè)和中部共計8個單元覆蓋2層高架候車層及下部軌行區(qū)，西側(cè)4個單元覆蓋側(cè)式站房及站前廣場。平面尺寸約為186m×142m，結(jié)構(gòu)高度33.5m，最大跨度51m，最大懸挑長度22.5m(見圖2)。傘狀網(wǎng)架單元由H型鋼主桁架與圓管次桁架組合而成，通過4根六邊形錐管分叉柱與柱頂鑄鋼件連接，采用1根直徑1 400～1 200mm變截面鋼管混凝土柱支撐，傘狀網(wǎng)架單元尺寸為45m×45m(見圖3)。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋

圖3 傘狀網(wǎng)架單元構(gòu)造

2 周邊環(huán)境

站房東側(cè)為既有武廣高鐵廣州北站，主體結(jié)構(gòu)距高鐵站臺雨棚結(jié)構(gòu)2.5m左右，西側(cè)為廣州地鐵9號線廣州北站D出入口及花都汽車客運總站，北側(cè)為待拆遷居民樓，距站房屋蓋水平距離5m左右，南側(cè)為廣州地鐵9號線廣州北站B出入口(見圖4)。施工場地狹小，安全風(fēng)險極高。

圖4 工程周邊環(huán)境

3 施工難點

本工程屋蓋鋼結(jié)構(gòu)占地面積大(約20 000m2)，因節(jié)點工期要求，需為站前單位提供鋪軌通道，涉及交叉作業(yè)，現(xiàn)場作業(yè)空間受限，施工組織難度大。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)跨度大，空間位置復(fù)雜，用鋼量大(約6 500t)，構(gòu)件數(shù)量多，鄰近武廣高鐵站臺施工，安全風(fēng)險高。

站房屋蓋采用傘狀懸挑結(jié)構(gòu)，提升過程中懸臂端撓度變形大，屋蓋分區(qū)提升單元形成整體前穩(wěn)定性差，如何確保屋蓋單元之間合龍精度及屋蓋分區(qū)提升單元的穩(wěn)定性是本工程的技術(shù)難點。

4 施工方案

4.1 施工分區(qū)

根據(jù)廣州北站站房結(jié)構(gòu)特點及交叉作業(yè)條件，將站房屋蓋分3個區(qū)組織施工，自西向東分別為1，2，3區(qū)，其中3區(qū)鄰近武廣站臺，2，3區(qū)覆蓋站場軌道,每區(qū)由4個傘狀屋蓋單元組成，1區(qū)又因塔式起重機拆卸原因分為1-1區(qū)和1-2區(qū)(見圖5)。

圖5 屋蓋結(jié)構(gòu)分區(qū)

4.2 施工工藝特點

根據(jù)廣州北站鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的結(jié)構(gòu)形式，常用的安裝方案有高空散拼和整體提升(頂升)兩種，兩種方法的優(yōu)缺點如下。

1)高空散拼 優(yōu)點為：機動靈活，受場地限制小，對其他專業(yè)施工影響小，可以利用塔式起重機吊運材料先行施工下部樓層板結(jié)構(gòu)。缺點為：起重機噸位大，樓層板需要提前加固或反頂驗算，構(gòu)件吊裝量大，高空焊接多，存在較大的安全和質(zhì)量風(fēng)險。

2)整體提升(頂升) 優(yōu)點為：構(gòu)件在地面拼裝質(zhì)量易于控制，結(jié)構(gòu)整體性好，安全性高，工期快。缺點為：對場地要求高，對其他專業(yè)影響大，下部樓層板結(jié)構(gòu)需在屋蓋提升后施工，無法利用塔式起重機吊運材料。

4.3 施工方案選擇

3區(qū)鄰近武廣高鐵站臺，從安全方面考慮，采用地面拼裝整體提升工藝進(jìn)行施工。因鋪軌節(jié)點工期要求，2區(qū)采用高空散拼方式施工。在站臺上搭設(shè)貝雷梁支撐體系施工樓層板結(jié)構(gòu)，滿足無砟軌道交叉施工條件，然后利用樓層板施工階段的3臺TC7052塔式起重機吊裝屋蓋鋼結(jié)構(gòu)。1區(qū)位于站場西側(cè)，場地條件相對較好，且下部樓層板結(jié)構(gòu)較少，采用地面拼裝整體提升工藝進(jìn)行施工。

總體施工順序為先行提升1-1區(qū)和1-2區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)，為3區(qū)屋蓋提升積累經(jīng)驗和提升參數(shù)，確保3區(qū)鄰近高鐵施工安全。1區(qū)提升完畢后進(jìn)行3區(qū)提升，最后進(jìn)行2區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)高空散拼。在滿足施工安全與質(zhì)量前提下，確保與無砟軌道的交叉作業(yè)，同時站房土建和鋼結(jié)構(gòu)形成流水施工，提高了施工效率并節(jié)約了資源。

5 關(guān)鍵施工技術(shù)

5.1 鋼柱吊裝

傘狀屋蓋柱腳采用插入式，錨栓及部分鋼柱均插入承臺內(nèi)。根據(jù)柱腳特點，承臺分兩次澆筑，一次澆筑至柱底板標(biāo)高固定錨栓，鋼柱吊裝完成后二次澆筑剩余混凝土。地下結(jié)構(gòu)施工完畢后，首先吊裝鋼柱及柱頂鑄鋼件，鋼柱分節(jié)吊裝，均采用100t汽車式起重機從地面吊裝。

直接用鋼柱上端的連接耳板作為吊點，為穿卡環(huán)方便，在深化設(shè)計時將連接板最上面的一個螺栓孔的孔徑加大，作為吊裝孔。鋼柱吊裝采用四點綁扎法，使鋼絲繩受力均衡(見圖6a)。鋼柱吊裝后用臨時連接耳板連接，作為鋼柱的臨時固定，待測量校正并焊接完成后，將臨時連接耳板割除(見圖6b)。鋼柱安裝有錯位時，采用鋼柱錯位調(diào)節(jié)措施進(jìn)行校正，主要工具包括調(diào)節(jié)固定托架和千斤頂(見圖6c)。每吊裝完成一節(jié)鋼柱，灌注一次混凝土。

圖6 鋼柱吊裝示意

5.2 提升區(qū)施工

5.2.1提升支撐架設(shè)計

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點，每個傘狀屋蓋單元設(shè)一組提升支撐架，每組支撐架設(shè)置4個格構(gòu)式胎架并通過連系桿件將胎架連接成為整體。格構(gòu)式胎架由多個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度為4m，截面尺寸為2m×2m (見圖7a)。胎架高度為37m，單個胎架承載力為3 300kN。

提升平臺由格構(gòu)式支撐架、提升梁、短柱節(jié)點、支架連系桿、支架加固桿及水平加固桿等組成，各桿件之間采用焊接連接，采用一級熔透焊縫(見圖7b)。

圖7 格構(gòu)式胎架及提升平臺

5.2.2提升設(shè)備

提升器采用YS-SJ-180型穿心式液壓提升器，安裝在提升梁上，額定提升能力1 800kN。采用φs17.8 1 860級高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為承重索具，抗拉強度，破斷拉力≥360kN。每束鋼絞線根據(jù)提升點反力配備6～11根。經(jīng)計算提升點最大反力1 285kN，提升能力滿足要求。

5.2.3同步提升原理

以3區(qū)4個傘狀屋蓋單元整體提升為例，結(jié)構(gòu)尺寸為186m×45m，質(zhì)量約1 450t，共設(shè)置4組提升架，每組提升架設(shè)置YS-PP-15型液壓泵源系統(tǒng)，為液壓提升器提供液壓動力，每組提升架設(shè)置4個提升點，提升點設(shè)置行程傳感器，利用信號連接線將行程傳感器和液壓泵源系統(tǒng)連接至計算機控制系統(tǒng)。每臺液壓提升器處各設(shè)置一套行程傳感器，用以測量提升過程中各臺液壓提升器的提升位移同步性。主控計算機根據(jù)各傳感器的位移監(jiān)測信號及其差值，構(gòu)成“傳感器—計算機—泵源控制閥—提升器控制閥—液壓提升器—提升單元”的閉環(huán)系統(tǒng)，控制整個提升過程的同步性。

5.2.4試提升

試提升根據(jù)吊點反力按照20%，40%，60%，70%，80%，90%，95%，100%進(jìn)行分級加載，每步分級加載完畢，均應(yīng)暫停并檢查上下吊點結(jié)構(gòu)、提升單元等加載前后的變形情況，以及主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等情況。一切正常后繼續(xù)下一步分級加載。

提升單元離開拼裝胎架約150mm后，利用液壓提升系統(tǒng)設(shè)備鎖定，空中停留12h作全面檢查。各項檢查正常無誤，再進(jìn)行正式提升。

5.2.5正式提升

提升前用儀器測量各吊點的離地距離，計算出各吊點相對高差。通過液壓提升系統(tǒng)設(shè)備調(diào)整各吊點高度，使提升單元達(dá)到設(shè)計姿態(tài)。以調(diào)整后的各吊點高度為新的起始位置，復(fù)位位移傳感器，在整體提升過程中，保持該姿態(tài)直至提升至設(shè)計標(biāo)高附近。

在提升過程中采用全站儀對提升單元上的觀測點進(jìn)行監(jiān)控，每提升5m高度進(jìn)行一次測量，根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行高度微調(diào)。微調(diào)采用手動模式，根據(jù)需要，對整個液壓提升系統(tǒng)中各吊點的液壓提升器進(jìn)行同步微動(上升或下降)，或?qū)闻_液壓提升器進(jìn)行微動調(diào)整，調(diào)整精度可以達(dá)到毫米級。提升單元提升至距離設(shè)計標(biāo)高約200mm時，暫停提升，各吊點微調(diào)使結(jié)構(gòu)精確提升至設(shè)計位置，液壓提升系統(tǒng)設(shè)備暫停工作，保持提升單元的空中姿態(tài)，及時吊裝分叉柱，使提升單元結(jié)構(gòu)形成整體穩(wěn)定受力體系(見圖8)。

圖8 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋提升

5.2.6結(jié)構(gòu)卸載及措施拆除

為確保結(jié)構(gòu)安全，3區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)提升架拆除前需將樓面鋼梁及2區(qū)部分屋蓋主桁架安裝完成(見圖9)，從而提高提升區(qū)屋面的抗傾倒能力(1區(qū)因提升架不影響下部樓面結(jié)構(gòu)施工，待2區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)吊裝完成形成整體后拆除)。按照100年一遇風(fēng)荷載進(jìn)行3區(qū)結(jié)構(gòu)卸載后穩(wěn)定驗算，根據(jù)計算結(jié)果，風(fēng)荷載作用下屋面x向最大位移為156mm，y向最大位移109mm，均小于規(guī)范允許值166mm，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

圖9 3區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)樓面鋼梁與2區(qū)及部分屋蓋主桁架連接

后補構(gòu)件安裝完成后對各對接口的焊縫進(jìn)行檢驗，檢驗合格后進(jìn)行結(jié)構(gòu)卸載，按20%，40%，60%，70%，80%的方式進(jìn)行分級卸載，卸載過程應(yīng)緩慢進(jìn)行，直至鋼絞線達(dá)到松弛狀態(tài)。卸載完成后保持鋼絞線與結(jié)構(gòu)連接狀態(tài)24h。從卸載完成時起，每隔6h對變形控制點進(jìn)行變形觀察，結(jié)構(gòu)24h內(nèi)無變形后方可拆除胎架。

5.3 吊裝區(qū)鋼結(jié)構(gòu)施工

2區(qū)采用高空散拼方式安裝，因涉及交叉施工，場地受限，屋蓋鋼構(gòu)件在場外拼裝成桁架單元后運至現(xiàn)場利用塔式起重機吊裝。根據(jù)屋蓋結(jié)構(gòu)特點，將傘狀網(wǎng)架單元分解成主桁架、次桁架和屋脊線3種拼裝單元(見圖10)，主桁架與屋脊線截面尺寸較大均分為單片狀，分段后最重達(dá)8.2t；次桁架截面尺寸較小分為塊狀，分塊最重段7.8t。

圖10 3種拼裝單元

吊裝區(qū)屋蓋桁架分段后最重段為8.2t，位于TC7052塔式起重機40m吊裝半徑內(nèi)，此范圍塔式起重機可起吊10.3t，滿足起重工況要求；吊裝區(qū)最遠(yuǎn)端構(gòu)件質(zhì)量7.43t，位于TC7052塔式起重機50m吊裝半徑范圍內(nèi)，此范圍塔式起重機可起吊7.9t，滿足起重工況要求。

2區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)吊裝完畢后檢驗對接口焊縫，檢驗合格后拆除塔式起重機。利用25t汽車式起重機從樓面結(jié)構(gòu)吊裝塔式起重機影響部位嵌補構(gòu)件，完成屋蓋結(jié)構(gòu)安裝(樓面結(jié)構(gòu)由貝雷梁支撐體系反頂，經(jīng)驗算滿足受力要求)。

5.4 各區(qū)段屋蓋合龍精度控制

1，3區(qū)屋蓋提升就位后，吊裝2區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)，完成各區(qū)段屋蓋合龍，形成整體。為提高各區(qū)段合龍精度，屋蓋結(jié)構(gòu)地面拼裝時根據(jù)計算機仿真計算結(jié)果進(jìn)行預(yù)起拱，并在結(jié)構(gòu)提升階段加強監(jiān)測，出現(xiàn)偏差時及時進(jìn)行手動微調(diào)。結(jié)構(gòu)提升到位后對嵌補構(gòu)件對接點進(jìn)行復(fù)測，并微調(diào)到位，滿足安裝尺寸要求。2區(qū)屋蓋桁架按照先主后次、對稱進(jìn)行的順序。南北方向主桁架采用兩端同時吊裝，對接口采用臨時連接馬板固定，并采用全站儀對構(gòu)件標(biāo)高及對接口坐標(biāo)復(fù)核無誤后進(jìn)行焊接。圓管次桁架采用地面拼裝分片吊裝，吊裝順序為由中間至懸挑端。

6 效益分析

6.1 經(jīng)濟效益

站房屋蓋結(jié)構(gòu)地面拼裝整體提升相比高空散拼節(jié)約了一定數(shù)量的支撐胎架及防護措施。由于地面拼裝施工效率較高，節(jié)約大量起重機租賃費用和人工成本。3區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)整體提升相比2區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)高空散拼約節(jié)約費用120萬元，具有很好的經(jīng)濟效益。

6.2 工期效益

1，3區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)采用整體提升工藝安裝，耗費工期35d，2區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)采用高空散拼工藝，耗費工期55d，整體提升工藝可縮短工期20d。廣州北站站房結(jié)構(gòu)和無砟軌道涉及交叉施工，根據(jù)原施工組織，屋蓋結(jié)構(gòu)全部采用整體提升工藝，站房結(jié)構(gòu)施工需占用工期3個月，采用分區(qū)提升+高空散拼相結(jié)合的工藝后，站房結(jié)構(gòu)僅施工貝雷梁支撐體系占用工期15d，為廣清全線鋪軌縮短工期75d。

6.3 質(zhì)量效益

1，3區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用地面拼裝焊接，2區(qū)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)在地面拼裝成桁架單元后進(jìn)行吊裝，由于大量的拼裝焊接工作在地面完成，屋蓋結(jié)構(gòu)拼裝及焊接質(zhì)量得到保障。根據(jù)第三方焊縫檢測報告，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)一、二級焊縫一次性檢測合格率達(dá)到100%。

本工程屋蓋結(jié)構(gòu)采用同步提升工藝，根據(jù)計算機仿真計算結(jié)果進(jìn)行提升點桿件加強和結(jié)構(gòu)起拱，并通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，有效確保了各單元之間對接精度。

6.4 安全效益

由于大量的拼裝及焊接作業(yè)在地面進(jìn)行，大幅減少了高空作業(yè)量，降低了高空作業(yè)風(fēng)險。3區(qū)采用地面拼裝整體提升工藝，降低了鄰近高鐵營業(yè)線施工風(fēng)險。本工程施工過程安全可控，未發(fā)生一般及以上安全事故。

本工程采用有限元軟件MIDAS對整個施工過程進(jìn)行仿真計算分析，提升時結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形，桁架結(jié)構(gòu)體系的強度、剛度均滿足施工要求，為屋蓋結(jié)構(gòu)安全提升提供了理論依據(jù)。

7 結(jié)語

廣清城際廣州北站站房屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用分區(qū)提升+高空散拼相結(jié)合的施工方法，成功解決了施工場地受限，鄰近既有地鐵線施工安全風(fēng)險高，施工工期緊迫及與無砟軌道交叉施工等一系列施工難題。通過計算機軟件仿真計算分析和同步提升系統(tǒng)的毫米級微調(diào)，實現(xiàn)了各屋蓋單元之間的精確合龍。本工程施工組織合理，方案選用得當(dāng)，安全、質(zhì)量及工期均得到了有效保障，產(chǎn)生了良好的效益，為類似工程施工提供了借鑒。