鋼結構技術(shù)論文
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會(huì )
建筑鋼結構分會(huì )主辦
摘 要：廈門(mén)西站房屋面采用巨型空間桁架支撐網(wǎng)架結構體系，站房屋面網(wǎng)架部分的下弦，兩個(gè)方向不在同一標高平面上，這種不等高桁架結構形式在國內首次采用，通過(guò)對桁架自身的受力進(jìn)行研究論證，先后淘汰了高空原位拼裝、400T履帶吊跨外吊裝等方案，最終決定采用計算機液壓分塊整體提升施工技術(shù)。經(jīng)科學(xué)組織、精心施工，成功的完成了本工程的施工任務(wù)。
關(guān)鍵詞：不等高桁架；分塊；整體提升；質(zhì)量控制
1工程概況
1.1工程總體概況
新建的廈門(mén)西火車(chē)站是國家“四縱四橫”鐵路客運專(zhuān)線(xiàn)——沿?？焖勹F路通道上的一個(gè)重要客運站，是福廈、廈深、龍廈、鷹廈4條鐵路線(xiàn)交匯點(diǎn)，共設6站臺12股道，建成后將成為福建省最大的鐵路客站。工程總建筑面積162409m2，其中站房109028m2，站臺雨棚面積為53381m2。為高架候車(chē)與線(xiàn)下出站式布局，旅客流線(xiàn)采取“上進(jìn)下出”的形式，將車(chē)站分為出站層、站臺層、高架層三個(gè)層面，建筑總高度達66.78m。站房高架候車(chē)廳跨度132m、長(cháng)度220m，候車(chē)廳無(wú)柱，是國內數座站橋合建的線(xiàn)上式站房之一，其施工技術(shù)難度大、科技含量高，是目前國內跨度最大的鐵路站房，詳見(jiàn)圖1。
圖1 站房整體效果圖
1.2不等高桁架屋面概況
站房屋蓋設計采用“大跨度空間鋼桁架+雙向正交鋼管桁架”結構，沿平行于鐵軌方向的C、E、F、H軸設置四榀大跨度空間鋼桁架，鋼桁架支撐在兩端的勁性混凝土A型塔柱上，充分體現了閩南民居“燕尾脊”的意念，其中站房高架候車(chē)室上部鋼結構屋面采用雙向不等高正交鋼管桁架，屋面設計曲線(xiàn)造型高低處落差達16m，南北向跨度為44m及55m，東西向跨度為132m，網(wǎng)架部分的下弦，兩個(gè)方向不在同一標高平面上，高差相差800mm，這種不等高桁架結構形式在國內首次采用。如圖2~圖4所示：
圖2 高架候車(chē)室上部鋼結構屋面平面布置圖（1/2區域）
圖3 局部模型示意圖
圖4 不等高桁架豎腹桿節點(diǎn)圖
2.施工特點(diǎn)及難點(diǎn)
2.1本工程桁架下弦雙向不等高，拼裝及吊裝過(guò)程中如何消除由于不等高桁架局部桿件受力不均而造成破壞的現象是工程施工的一大特點(diǎn)及難點(diǎn)；
2.2提升吊點(diǎn)設置在屋蓋兩側的主桁架上，其中主桁架二自身為超長(cháng)輕薄大跨度鋼管桁架（跨度132m，高度23.8m，寬度僅1m）,故施工中既要考慮屋蓋自身分塊單元的穩定性又要充分考慮提升過(guò)程對兩側主桁架的受力影響，將屋面桁架如何進(jìn)行分塊及合理的提升順序，將屋蓋安裝對主桁架二的變形控制在其設計允許的范圍內又是本工程施工的一大特點(diǎn)及難點(diǎn)；
2.3采用本施工技術(shù)較傳統的原位拼裝及跨外吊裝，減少了大量的腳手架支撐及大型機械投入量，降低了材料及設備的投入成本；
2.4屋面鋼結構吊裝、組對、焊接、防腐及測量校正等大量工作均可在組拼胎架上完成，減少了大量的高空作業(yè)，有效的提高了屋面鋼結構施工的整體質(zhì)量及工期要求。
3.施工技術(shù)流程
施工準備→小拼單元拼裝→中拼單元拼裝→整體提升→合攏段安裝→卸載→應力應變監測
4.技術(shù)操作要點(diǎn)
4.1施工準備
4.1.1構件進(jìn)場(chǎng)驗收
考慮運輸問(wèn)題，在加工廠(chǎng)將所有屋面桁架按豎腹桿（SFG）進(jìn)行分類(lèi)做成小段運至施工現場(chǎng)，因種類(lèi)繁多，為避免二次倒運，桿件進(jìn)場(chǎng)一定要根據每一榀桁架所需要的桿件配套進(jìn)場(chǎng)，確保桁架拼裝順利。
（1）桿件出廠(chǎng)合格證及各種標記是否齊全，尤其是多面相貫的節點(diǎn)部位在出廠(chǎng)時(shí)要在管口用洋沖做好管口的上下左右標記，能夠大大提高現場(chǎng)拼裝人員的效率；
（2）各桿件的幾何尺寸如長(cháng)度、圓管的管壁厚度及直徑，平直度等；
（3）核對相貫口剖口尺寸及角度是否正確；
4.2小拼單元拼裝
桁架自身跨度較大（44m及55m），為便于運輸及吊裝，將每榀桁架分成三個(gè)單元在胎架上部進(jìn)行臥拼，小拼時(shí)將三個(gè)單元同時(shí)放樣、同時(shí)拼裝，分段點(diǎn)部位采用臨時(shí)點(diǎn)焊固定，拼裝流程為：
測量定位→胎架制作→豎腹桿定位→上下弦桿及斜腹桿拼裝→焊接→脫胎→對胎架進(jìn)行復核校正→下一榀桁架的拼裝
4.2.1測量定位：次桁架單元為弧形，拼裝前應根據桁架的尺寸，在拼裝平臺上放出管桁架主管的外形線(xiàn)及接頭處各支管位置的投影線(xiàn)；
4.2.2胎架的制作：胎架要能夠承擔桁架自重、拼裝桁架荷載及其它施工荷載，要有足夠的強度、剛度和穩定性；胎架高度應便于全位置焊接，本工程高度設置為800mm。先將鋼管桁架主管吊上胎架，以平臺所劃出外形線(xiàn)及投影線(xiàn)為基準安放到位，進(jìn)行弦桿及支管的對接和焊接，每榀胎架設置的同時(shí)還要考慮到脫胎及運輸的方便可行；
4.2.3拼裝：
利用汽車(chē)吊將每一榀豎腹桿吊裝至胎架上，并控制好接口位置，用調節鋼板及限位板調節其標高和平面位置后進(jìn)行點(diǎn)焊固定，然后用同樣的辦法將上下弦桿吊裝至胎架上進(jìn)行測量定位，最后連接斜腹桿。全部點(diǎn)焊固定后，重新進(jìn)行復測，滿(mǎn)足精度要求后再進(jìn)行焊接，如圖5所示。
斜腹桿安裝前要注意上下弦桿隱蔽焊縫要先進(jìn)行焊接，由于桁架拼裝段長(cháng)度較長(cháng)，考慮到焊接收縮對桁架長(cháng)度的影響，因此每一段的長(cháng)度應控制在比設計長(cháng)度長(cháng)3-5mm。
圖5 小拼單元拼裝
4.2.4焊接：焊接前根據本工程的施工特點(diǎn)進(jìn)行焊接工藝評定，并編制詳細的作業(yè)指導書(shū)。拼裝單元的焊接由中間向兩邊對稱(chēng)焊接，焊接順序如圖6所示，禁止同一根桿件兩端同時(shí)焊接。
圖6 焊接順序圖
4.2.5脫胎：焊接完成經(jīng)驗收合格后即可將每一片桁架單元進(jìn)行脫模裝車(chē)運至現場(chǎng)進(jìn)行中拼單元的組對，吊離胎架前應對每一個(gè)拼裝單元對接口部位使用角鋼進(jìn)行臨時(shí)加固，防止由于運輸碰撞及應力收縮造成桿件變形。桁架脫離胎架后要重新進(jìn)行測量復核校正，方可進(jìn)行下一榀桁架的組裝。
4.3中拼單元拼裝
中拼單元即提升分塊單元，使用Midas軟件進(jìn)行模擬分析并綜合考慮各分塊單元在提升過(guò)程中對已安裝就位主桁架的影響，達到安全、科學(xué)的提升目的，如圖7、圖8所示，將屋面一（二）、屋面三（四）各分為5個(gè)提升分塊單元。
圖7 屋面一（二）提升分塊單元
圖8 屋面三（四）提升分塊單元
4.3.1每一個(gè)提升分塊單元按由中間向兩側對稱(chēng)拼裝，如圖9所示：
圖9 提升分塊單元拼裝順序圖
4.3.2由于桁架兩端最大高差達到16米，在頂板上部不便搭設胎架，且高差較大胎架穩定性很難保證。如圖10所示將桁架調整至一定角度，使桁架兩端處于同一平面上，能夠很好的進(jìn)行提升分塊單元的拼裝。
圖10 桁架調整角度拼裝圖
4.3.3注意事項
（1）拼裝前要嚴格檢查單元構件的長(cháng)度、曲線(xiàn)度，發(fā)現有不合格及變形的桿件要立即進(jìn)行整改；
（2）胎架自身的水平度、垂直度、剛度及穩定性要有保證；
（3）桁架垂直度的控制，可采用調節攬風(fēng)繩的方法，在未形成穩定剛度單元前在桁架兩側對稱(chēng)拉設2-4組攬風(fēng)繩，攬風(fēng)繩固定處設手拉葫蘆，通過(guò)手拉葫蘆調節攬風(fēng)繩的長(cháng)度，從而達到控制桁架垂直度的目的；
（4）在拼裝單元對接部位兩側各1m位置處設置支撐胎架，可有效地保證對接口拼裝焊接的精度；
（5）拼裝完畢后，用全站儀及吊線(xiàn)錘的方法檢驗桁架的起拱度和垂直度。
4.4整體提升
每個(gè)桁架單元采用4點(diǎn)提升，提升上吊點(diǎn)分別設置在已安裝就位的ZHJ1、ZHJ2和ZHJ3上。
4.4.1提升能力計算
每一個(gè)提升分塊單元重量約為100噸，四點(diǎn)提升每點(diǎn)吊重為100/4=25噸，使用40噸千斤頂提升，利用系數25/40=62.5%，滿(mǎn)足提升功能要求。
4.4.2提升前準備
（1）ZHJ2防變形措施
為減少屋蓋各分塊單元在提升過(guò)程中對超長(cháng)輕薄ZHJ2側向穩定性的影響，防止其產(chǎn)生較大的變形，在原ZHJ2提升中設置的9組1.28x1.28m格構式標準節支護格構架不拆除，將其調整為標準節頂部高于桁架下弦水平主管，與桁架下弦主管加固連接，以此來(lái)增加桁架本身的受力支點(diǎn)，進(jìn)而確保了屋面分塊單元在安裝過(guò)程中主桁架的側向穩定。如圖11所示。
圖11 ZHJ2臨時(shí)支撐加固圖
（2）其它需檢查及注意的事項：
①分塊單元所有一、二級焊縫已經(jīng)經(jīng)過(guò)探傷，并驗收合格；
②分塊單元結點(diǎn)補漆工作完成，并通過(guò)驗收；
③主桁架變形已經(jīng)測量，并在設計及規范的允許偏差范圍內；
④提升工裝已經(jīng)通過(guò)驗收，工裝附近腳手架操作平臺已經(jīng)搭設完畢；
⑤提升單元與所有支架、胎具等的臨時(shí)固定已經(jīng)取消；
⑥聯(lián)系桿安裝用腳手架已經(jīng)搭設完畢，安全網(wǎng)已經(jīng)到位和安全繩已設置好；
⑦提前做好天氣資料收集，確保提升過(guò)程中不下雨，風(fēng)力不大于5級。
4.4.3吊點(diǎn)的選擇
（1）提升點(diǎn)平面布置如圖13所示（圖中1A-*、1B-*及2A-*、2B-*點(diǎn)）；
（2）提升點(diǎn)上錨及下錨形式如圖12、13所示：
圖12 提升上錨點(diǎn)定位形式
圖13 提升下錨點(diǎn)定位形式
4.4.4根據提升點(diǎn)的布置及提升工裝的確定，施工前要對各個(gè)提升工況下整個(gè)屋蓋完成后的受力和變形進(jìn)行仔細的分析和計算，采用MIDAS程序，輸入相關(guān)參數(上下錨點(diǎn)構造圖)，建立計算模型，給定荷載值，準確地計算出各個(gè)工況下，屋蓋及兩側主桁架的受力狀態(tài)，從而合理確定按每一個(gè)提升分塊單元提升次序：即屋面一（二）由中間向兩邊提升、屋面三（四）由兩邊向中間提升,按如圖13所示從提升段1至提升段10逐個(gè)分塊單元吊裝。
根據計算結果，整個(gè)屋面安裝過(guò)程中結構最大x向位移為0.45mm，最大y向位移為30.8mm，最大z向位移為-28mm且所有結構桿件應力比均不超過(guò)0.5。說(shuō)明結構桿件在按照上述提升工況下是安全可靠的。
圖13 各分塊單元提升次序圖
4.4.5整體提升實(shí)施階段
4.4.5.1試提升
所有準備工作完成后，認真檢查提升系統的工作情況（提升油缸、鋼絞線(xiàn)、液壓泵站、計算機控制系統等），啟動(dòng)液壓泵，使各鋼絞線(xiàn)從自由狀態(tài)下逐步拉緊，適當調高油壓，當提升桿基本都受力拉直時(shí)，再觀(guān)察提升工裝與鋼桁架連接處及鋼絞線(xiàn)與千斤頂之間的錨固有無(wú)異常情況。
一切正常后，試提升使桁架脫離拼裝胎架，提升300-500mm，懸停12小時(shí)，如圖14所示，對整個(gè)提升系統進(jìn)行充分檢驗，查看有無(wú)異常，方可正式提升。
圖14 試提升階段
4.4.5.2調整桁架角度到達設計角度。因桁架本身為曲線(xiàn)造型，高度相差約16m，將桁架提升起來(lái)后，保持一側提升停止，緩慢提升另一側千斤頂，調整桁架高差達到原設計曲段，懸掛鋼尺，使用水準儀觀(guān)測提升高度，使整個(gè)桁架處于就位角度，如圖15所示。
圖15 調整桁架角度至設計角度
（3）正式提升：保持提升速度在4m/h左右，將桁架兩側四點(diǎn)千斤頂同步整體提升至預定高度，如圖5.3.4.4-3所示，考慮到控制系統下降的風(fēng)險性較大，提升結束位置要稍低于理論標高值，最后采用全站儀或經(jīng)緯儀進(jìn)行精確調整至設計標高。
圖16 正式提升
4.5合攏:提升完成精確定位后，結構體系仍處于不利狀態(tài)，須抓緊時(shí)間施工與主桁架相連接的預留桿件，使得提升段與結構主體間能夠可靠連接。
4.6卸載
4.6.1卸載的前提條件
（1）所有與兩側主桁架連接的桿件已全部安裝并焊接完成，設計要求需進(jìn)行UT探傷的部位檢測合格；
（2）卸載當天風(fēng)力要求不大于5級；
（3）卸載前要用測量?jì)x器對提升單元的穩定性進(jìn)行監測，確保其在水平和豎直方向沒(méi)有相對位移反復出現的情況下，可以卸載；
（4）對參與卸載的施工人員進(jìn)行詳細交底，嚴格按照方案執行，聽(tīng)從現場(chǎng)總指揮統一協(xié)調，確保卸載過(guò)程在安全有序的條件下進(jìn)行。
4.6.2卸載方法
對桁架提升點(diǎn)采取分級卸載的方法，卸載比例為30％、30％、20％、20％；
4.6.3每一步的卸載完成后，要用全站儀對兩側的主桁架以及屋面結構受力較大的部位進(jìn)行變形監測，待監測完畢無(wú)大的變形后方可進(jìn)行下一步的卸載；
4.6.4卸載完成后拆除液壓提升設備。
4.7應力及位移監測
為保證屋面不等高桁架在整體提升過(guò)程的安全性和可靠性，在提升過(guò)程中對其自身結構及兩側提升支撐主桁架的應力和位移采用有限元數值模擬分析。根據鋼結構屋面上關(guān)鍵受力部位的應力以及位移監測數據，確定數值模擬與實(shí)測值的差異；將數值模擬與實(shí)測相結合，對結構安全性作出評估，并跟蹤監測在施工各階段主要受力構件的內力和變形，發(fā)現問(wèn)題及時(shí)解決，以保證結構安全。
應力監測系統采用在構件上安裝鋼弦式傳感器進(jìn)行，本工程高架候車(chē)室上部屋面鋼結構共布設應力測點(diǎn)40個(gè)，位移測點(diǎn)24個(gè)。測點(diǎn)隨工程進(jìn)度在所在桁架提升或吊裝前通過(guò)焊接安裝。
監測過(guò)程主要針對結構在提升前后、支撐體系拆除前后、以及后期荷載和溫度等變化導致的結構桿件內力和變形的變化而進(jìn)行。監控數據為提升動(dòng)作指令的發(fā)出提供了強有力、科學(xué)、有效的依據。圖17所
示為其中一個(gè)監控點(diǎn)在某一施工工況下的應力曲線(xiàn)監控數據值。
圖17 整體提升過(guò)程中某一個(gè)監控點(diǎn)的應力曲線(xiàn)變化模型
5質(zhì)量控制
5.1桁架結構允許偏差
5.2提升軸線(xiàn)控制偏差
6安全控制
6.1進(jìn)入施工現場(chǎng)所有施工人員必須帶好安全帽，高空作業(yè)必須系好安全帶、穿防滑鞋。特殊工種（如起重工、電焊工、電工、架子工、信號工等）必須持證上崗，嚴格執行本工種安全操作規程；
6.2起重設備的行駛道路必須堅實(shí)可靠，嚴禁超載吊裝及歪拉斜吊；
6.3施工前應對吊裝用機械設備、吊具、索具等進(jìn)行檢查，凡不符合安全規定的，嚴禁使用；
6.4高空作業(yè)人員使用的工具及安裝用的零部件，應放入隨身佩帶的工具袋內，嚴禁在空中拋擲；
6.5焊接作業(yè)要有動(dòng)火證、設置接火盆，作業(yè)區域下方要將可燃物清理干凈并配置看火人及一定數量的滅火裝置；
6.6吊裝作業(yè)范圍內應設置警戒線(xiàn)，樹(shù)立明顯的警示標識，非工作人員嚴禁入內；
6.7所有設備在提升前均要進(jìn)行保養、檢查，千斤頂要經(jīng)過(guò)保養清洗并經(jīng)壓力試驗方可使用；
6.8提升用鋼絞線(xiàn)在使用前要進(jìn)行細致的檢查鑒定，有無(wú)斷絲和電焊損傷情況；
6.9施工過(guò)程中應避免交叉作業(yè)，當無(wú)條件避開(kāi)交叉作業(yè)時(shí)，不得在垂直方向上操作，下層作業(yè)的位置必須處于上層可能墜落的范圍之外；
6.10在各個(gè)提升千斤頂周?chē)眉茏庸艽詈闷脚_并配好護欄、防護網(wǎng)及生命線(xiàn)等，以保證施工人員的操作安全和方便。
7施工效果
廈門(mén)西站房大跨度不等高正交鋼管桁架屋面鋼結構的安裝，采用了分塊整體提升技術(shù)。綜合運用本工法，使本工程無(wú)論在經(jīng)濟效益、社會(huì )效益還是在技術(shù)水平、工程進(jìn)度等諸多方面都取得了明顯的效果，為今后施工類(lèi)似工程提供了成功的范例和寶貴的經(jīng)驗。
7.1鋼屋蓋采取在樓面分塊拼裝、整體提升技術(shù)，與常規施工方案相比，可明顯節約大量的拼裝用腳手架、胎架及大噸位吊車(chē)跨外吊裝的成本；
效益分析對比表
7.2在已就位的桁架上設置提升吊點(diǎn)，對屋蓋進(jìn)行分塊并采取合理的吊裝順序，同時(shí)采用支撐格構架對超長(cháng)輕薄桁架進(jìn)行支撐加固，可大大降低由于屋蓋施工對主桁架整體穩定性的影響，從而將主桁架的受力變形控制在設計及規范允許的范圍內；
7.3樓面拼裝、組對及焊接，施工測量方便，誤差減小，施工精度和質(zhì)量更為可靠；
7.4可及時(shí)為其它施工工序（如土建、機電安裝等）提供工作面，為總工期的保證提供了有力條件；
7.5使用CO2氣體保護焊與傳統的手工電弧焊相結合的混合焊接作業(yè)方式，CO2氣體保護焊熔化率高、熔敷速度快、質(zhì)量易保證，生產(chǎn)效率比手工焊高3倍。由于焊接工序是制約本工程施工進(jìn)度的關(guān)鍵環(huán)節，焊接生產(chǎn)率的提高大大縮短了整個(gè)工程的工期，縮短工期約18%；
7.6施工過(guò)程中對主要受力桿件進(jìn)行了應力、應變及位移監控，很好地驗證了設計、施工方案的可行性，為今后施工類(lèi)似工程提供了重要的參考價(jià)值。
參 考 文 獻:
【1】 冶金工業(yè)部建筑研究總院.GB50205-2001.鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.
【2】 中國建筑科學(xué)研究院.GB50009-2001建筑結構荷載規范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.
【3】 JGJ81-2002建筑鋼結構焊接技術(shù)規程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003
【4】 羅堯治,沈雁彬,童若飛,等.空間結構健康監測與預警技術(shù)[J].施工技術(shù),2009,38(3)
作者簡(jiǎn)介：伍中平（1970-），中鐵建設集團有限公司北京公司副總經(jīng)理、總工程師，高級工程師，主要施工項目管理及鋼結構的施工技術(shù)研究。
聯(lián)系地址：北京市石景山區石景山路20號（100043）。
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