王憲剛 王有志

（山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，濟(jì)南 250061）

0 引言

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有傳力途徑簡(jiǎn)捷、平面布置靈活、結(jié)構(gòu)體型豐富等優(yōu)點(diǎn)，在各類體育場(chǎng)館、鐵路站房得到廣泛應(yīng)用［1-2］。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)組成一般包括平面桁架系、四角錐體、三角錐體和六角錐體等類型，而鐵路站房屋面系統(tǒng)通常采用正放四錐體螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架［3-4］。由于存在跨度大、平面異性尺寸多及空間定位難度大等問題，大跨鋼結(jié)構(gòu)施工安全性能備受關(guān)注，其受力性能、施工安全監(jiān)測(cè)等為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［5-9］。

濰坊站為膠濟(jì)客專和普速鐵路共用的一等客運(yùn)站，新建南站房設(shè)計(jì)以濰坊風(fēng)箏文化為切入點(diǎn)，屋面整體形狀為雙曲面布置的蝴蝶風(fēng)箏造型（圖1）。

圖1 濰坊站南站房效果圖Fig.1 Effect picture of south station of Weifang station

站房建筑面積25 495.94 m2，主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部屋蓋為空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，采用正放四角錐螺栓球節(jié)點(diǎn)、抗震球形鋼鉸支座，網(wǎng)格單元尺寸3 m×3 m。網(wǎng)架支座呈階梯布置，下弦為弧形，支座底標(biāo)高最高點(diǎn)+24.648 m、最低點(diǎn)為+17.7 m、高差6.948 m。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)跨度大，南北向和東西向最大跨度分別為63 m、174 m，網(wǎng)架頂升高度最大處達(dá)23.8 m。風(fēng)箏造型的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)獨(dú)特復(fù)雜，美觀要求高；檐口吊頂板全部懸挑，最大懸挑長(zhǎng)度達(dá)15.1 m，測(cè)量放線和施工難度大。這些均對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)和安全提出重大挑戰(zhàn)。

圖2 為站房網(wǎng)架施工的平面和剖面布置圖，先進(jìn)行B 區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)頂升施工，然后進(jìn)行兩側(cè)區(qū)域A 區(qū)、C 區(qū)屋蓋頂升施工，最后進(jìn)行懸挑網(wǎng)架高空散裝施工。

圖2 站房網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工布置圖Fig.2 Construction layout of station grid structure

本工程建筑形式新穎，但受力情況復(fù)雜，為保證結(jié)構(gòu)施工的安全性，設(shè)計(jì)制作了大跨鋼網(wǎng)架頂升架及限位架體系，計(jì)算分析其受力性能，探究弧形曲面大檐口鋁板施工要點(diǎn)，優(yōu)化大跨度鋼網(wǎng)架同步頂升施工關(guān)鍵技術(shù)，以期為同類結(jié)構(gòu)的施工方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 網(wǎng)架頂升體系設(shè)計(jì)

為了克服現(xiàn)有頂升技術(shù)的不足，研制開發(fā)了一套帶有導(dǎo)向限位支架的網(wǎng)架頂升體系，該體系可以增強(qiáng)鋼網(wǎng)架頂升系統(tǒng)的側(cè)向約束，提高施工安全可靠性。

網(wǎng)架頂升體系主要由千斤頂、泵站、頂升架、電腦控制系統(tǒng)組成，如圖3 所示。利用千斤頂頂住網(wǎng)架下弦球，液壓同步上升，基于千斤頂回收功能可實(shí)現(xiàn)頂升支架的安裝加設(shè)。其中，頂升架屬于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，為防止其產(chǎn)生沉降采用鋼筋混凝土基礎(chǔ)。

圖3 網(wǎng)架頂升體系Fig.3 Grid jacking system

1.1 頂升架設(shè)計(jì)

頂升架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)截面尺寸為1 000 mm（寬）×750 mm（高），標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間采用高強(qiáng)螺栓連接，主立桿為鋼管Φ114×4 mm、正視圖中的主受力腹桿為方管60 mm×60 mm×5 mm，側(cè)視圖中的主受力腹桿為L(zhǎng)63×4 mm，如圖4所示。

圖4 頂升架示意圖（單位：：mm）Fig.4 Design schematic of lifting frame（Unit：mm）

1.2 限位架設(shè)計(jì)

為了防止頂升支架千斤頂和上托架頂升過程傾覆的發(fā)生，設(shè)計(jì)了一種防傾覆的限位支架（圖5），其中，連接標(biāo)準(zhǔn)節(jié)豎向的四根矩形管采用50 mm×5 mm，矩形管與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)采用150 mm×100 mm×10 mm連接板配M12高強(qiáng)螺栓連接。

圖5 限位支架設(shè)計(jì)參數(shù)Fig.5 Design parameters of limit bracket

1.3 弧形曲面大檐口鋁板設(shè)計(jì)

風(fēng)箏造型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)獨(dú)特復(fù)雜，檐口鋁板標(biāo)高變化多端，整個(gè)屋面大檐口縱向?yàn)闊o接縫整塊鋁板，施工難度及安全風(fēng)險(xiǎn)較大。運(yùn)用Rhino（犀牛）軟件三維立體模擬及施工現(xiàn)場(chǎng)1∶1 測(cè)量放線兩方面結(jié)合做法，對(duì)龍骨及異形鋁單板加工進(jìn)行優(yōu)化，順利實(shí)現(xiàn)站房屋面弧形曲面平滑、美觀。

（1）采用Rhino（犀牛）軟件創(chuàng)建檐口鋁板三維模型，優(yōu)化計(jì)算后確定鋁板下料加工等參數(shù)，主要包括裁剪、折邊、彎弧、焊接、打磨等工序，該部分決定了鋁單板弧度、外觀等重要參數(shù)。

（2）按照三維模型測(cè)量放樣，將龍骨在加工廠彎弧成型，待整體龍骨安裝好后，運(yùn)用矢高法對(duì)龍骨弧形曲線進(jìn)行檢查驗(yàn)收，為滿足龍骨弧形曲線和平整度要求，對(duì)超過5 mm偏差的龍骨需進(jìn)行調(diào)整。

2 抗風(fēng)揭試驗(yàn)

屋面板材選用AA3004 型鋁鎂錳金屬屋面板，加工性能好，易于折邊，如圖6 所示。固定T碼專用螺釘?shù)捻敳坎捎锰间摬馁|(zhì)，帽部為不銹鋼；對(duì)于超過3 mm厚的檁條采用細(xì)紋螺牙螺釘，以確保固定T碼和檁條的牢固連接。

圖6 金屬屋面系統(tǒng)構(gòu)造示意圖Fig.6 Structure diagram of metal roof system

為了測(cè)試鋁鎂錳壓型金屬屋面板系統(tǒng)的抗風(fēng)揭性能，在中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)蘇州有限公司進(jìn)行抗風(fēng)揭性能試驗(yàn)。其中，屋面系統(tǒng)測(cè)試材料參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)檁條及屋面板布置如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)檁條、屋面板布置示意圖（單位：mm）Fig.7 Schematic diagram of test purlin，roof panel（Unit：mm）

表1 抗風(fēng)揭試驗(yàn)工況Table 1 conditions of wind resistance test

試驗(yàn)結(jié)果表明，所測(cè)試的屋面板材料抗風(fēng)揭性能可以達(dá)到規(guī)定的抗風(fēng)揭等級(jí)3.6 kPa要求。

按照當(dāng)?shù)?00 年一遇風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)，在板周圍、檐口、變形縫、面板端頭處各加2 道防風(fēng)夾即可以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范及抗風(fēng)揭試驗(yàn)要求，在深化設(shè)計(jì)時(shí)補(bǔ)強(qiáng)至各3道防風(fēng)夾（圖8）。

圖8 天溝兩側(cè)防水夾加強(qiáng)圖（單位：mm）Fig.8 Waterproof clamp strengthening chart（Unit：mm）

3 網(wǎng)架頂升系統(tǒng)受力性能

為了保證網(wǎng)架在頂升過程中的安全性，需對(duì)頂升系統(tǒng)受力性能進(jìn)行驗(yàn)算，分析其應(yīng)力比。利用空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件3D3S鋼結(jié)構(gòu)建立網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，分析網(wǎng)架頂升各工況下受力及變形等參數(shù)。

3.1 頂升架及限位架受力分析

考慮在最不利荷載下頂升架及限位架各構(gòu)件受力狀況，選取最大頂升高度23.8 m 進(jìn)行分析。驗(yàn)算依據(jù)主要是《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）［10］、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）［11］以及頂升支架的實(shí)際使用情況。

采用Q235 鋼材，其彈性模量為2.06×105N/mm2；泊松比為0.30；線膨脹系數(shù)為1.20×10-5；質(zhì)量密度為7 850 kg/m3。根據(jù)所建立的模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)能夠滿足承載力計(jì)算要求，應(yīng)力比最大值為0.69（圖9），說明頂升過程中頂升架各構(gòu)件受力是安全的。

圖9 頂升架及限位架桿件應(yīng)力比Fig.9 Stress ratio of jacking frame and limit frame member

3.2 網(wǎng)架受力分析

選取在最不利荷載下網(wǎng)架受力狀況，計(jì)算分析網(wǎng)架受力情況。網(wǎng)架采用Q345鋼材，其彈性模量為2.06×105N/mm2；泊松比為0.30；線膨脹系數(shù)為1.20×10-5；質(zhì)量密度為7 850 kg/m3。

計(jì)算結(jié)果表明，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)各構(gòu)件均能滿足承載力計(jì)算要求，應(yīng)力比的最大值為0.84（圖10），滿足受力安全要求。

圖10 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)各桿件應(yīng)力比Fig.10 Stress ratio of each member grid structure

3.3 頂升過程變形監(jiān)測(cè)

頂升過程的變形監(jiān)測(cè)主要考慮以下四種工況。

工況一：臨時(shí)支撐的設(shè)置及起步網(wǎng)架的安裝。

工況二：將拼裝完成后的起步網(wǎng)架頂升至可以滿足后續(xù)網(wǎng)架安裝的預(yù)定高度，地面網(wǎng)架頂升安裝完成。

工況三：在二層平臺(tái)處拼裝D-G 軸剩余網(wǎng)架，拼裝至G軸線。

工況四：拼裝完成二層平臺(tái)標(biāo)高處網(wǎng)架。

表2 為四種工況下網(wǎng)架頂升過程中各測(cè)點(diǎn)變形的模擬值和實(shí)測(cè)值。

表2 網(wǎng)架頂升變形模擬值和實(shí)測(cè)值Table 2 Simulation and measured values of grid jacking deformation

搭設(shè)頂升架軸線位移偏差控制在3 mm內(nèi)，高度偏差控制在5 mm內(nèi)；網(wǎng)架下弦節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與其投影線的控制容許偏差30 mm［12］。從表2 可知，網(wǎng)架頂升變形的模擬值和實(shí)測(cè)值兩者基本相符，驗(yàn)證了所建模型的正確性，保證了網(wǎng)架頂升過程的安全性。

4 同步頂升技術(shù)要求

4.1 網(wǎng)架同步施工措施

網(wǎng)架各點(diǎn)的同步頂升是實(shí)現(xiàn)施工安全和頂升順利進(jìn)行的重要保證。網(wǎng)架頂升同步報(bào)警控制值設(shè)為5 mm。主要采取以下措施：

（1）設(shè)計(jì)頂升高度指示裝置，由標(biāo)尺和指針兩部分組成。其中，標(biāo)尺采用扁鋼制作，焊于頂升支架上，隨頂升而上升，指示一個(gè)回合的頂升高度；指針用鐵釘制作，焊于支座橫梁上，固定不動(dòng)。

（2）開發(fā)指揮信號(hào)系統(tǒng)，由指揮系統(tǒng)和信息系統(tǒng)兩部分組成，主要用于指揮頂升操作和信息聯(lián)絡(luò)。指揮系統(tǒng)包括指揮臺(tái)、功放、音響三部分。其中，指揮臺(tái)設(shè)在頂升區(qū)域外，能方便看到各點(diǎn)；功放置于指揮臺(tái)上；音響為三個(gè)高音喇叭，分別朝向兩列和指揮臺(tái)。信號(hào)系統(tǒng)由集中控制臺(tái)、各點(diǎn)旋扭開關(guān)箱以及聯(lián)接兩者的控制電纜構(gòu)成。其中，集中控制臺(tái)置于指揮臺(tái)的前端，便于指揮人員觀測(cè)各頂升點(diǎn)情況。在各頂升點(diǎn)附近安裝帶有“紅燈”、“O”、“綠燈”標(biāo)識(shí)的旋扭開關(guān)箱。

（3）制定頂升操作規(guī)程和細(xì)則，并專門組織頂升操作人員培訓(xùn)、學(xué)習(xí)。

4.2 頂升水平位移控制及糾偏處理

網(wǎng)架在進(jìn)行地面拼裝時(shí)已經(jīng)按照網(wǎng)架下弦球投影位置進(jìn)行了測(cè)量、定位拼裝。一般情況下網(wǎng)架頂升完成就位后，其偏差均能控制在20 mm 以內(nèi)，進(jìn)行補(bǔ)桿時(shí)螺栓完全能將網(wǎng)架控制到準(zhǔn)確位置。具體糾偏處理方法為：

（1）頂升前檢查記錄網(wǎng)架拼裝時(shí)頂升點(diǎn)水平位移。

（2）在網(wǎng)架每個(gè)頂升點(diǎn)附近均確定1 個(gè)固定點(diǎn)，每頂升一個(gè)步距，觀測(cè)其水平位移，測(cè)量網(wǎng)架實(shí)際頂升高度和平面內(nèi)偏移量。

（3）如偏移值不大，則可將千斤頂傾斜一定角度以抵消。亦可在十安梁與鋼柱肢導(dǎo)向板之間塞以鋼楔，回油時(shí)加以錘擊，亦能起到糾偏作用。

（4）若偏移已發(fā)展到一定程度，則可采用橫頂法進(jìn)行糾正。

5 結(jié)論

（1）建立了鋼網(wǎng)架頂升防失穩(wěn)技術(shù)，研制了大跨度雙曲面鋼網(wǎng)架新型頂升架及限位架體系，該體系受力可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定功能，保證鋼網(wǎng)架施工安全性能，提高施工效率。

（2）進(jìn)行了抗風(fēng)揭試驗(yàn)，發(fā)展了弧形曲面大檐口鋁板施工技術(shù)，保證了檐口鋁單板與金屬屋面防水性能、抵抗負(fù)風(fēng)壓性能及站房整體效果的實(shí)現(xiàn)。

（3）提出了大跨度雙曲面鋼網(wǎng)架整體同步頂升和變形控制技術(shù)，解決了鋼屋架施工變形難題，保證了頂升同步的順利實(shí)現(xiàn)。