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唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù)

作者:鄭雪祥 余穎    
時(shí)間:2012-10-31 15:14:17 [收藏]
唐山火車(chē)站站房懸挑結構是目前我國鐵路項目設計的第一個(gè)大型懸挑結構工程。通過(guò)介紹懸挑結構的施工流程、技術(shù)準備、具體實(shí)施和措施保障等,到最終順利完成大跨度懸挑結構安裝的全過(guò)程
    關(guān)鍵詞:

    唐山火車(chē)站站房懸挑結構是目前我國鐵路項目設計的第一個(gè)大型懸挑結構工程。通過(guò)介紹懸挑結構的施工流程、技術(shù)準備、具體實(shí)施和措施保障等,到最終順利完成大跨度懸挑結構安裝的全過(guò)程,分析安裝施工過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)以及先進(jìn)技術(shù)和措施,及時(shí)總結得失,為以后類(lèi)似的工程施工提供參考和借鑒。
    [關(guān)鍵字]:大跨度 ;組合體;結構平衡;結構穩定

          津秦客運專(zhuān)線(xiàn)唐山火車(chē)站位于唐山市路南區賴(lài)旺莊村,地處112國道東側,北新西道東南側,交通十分便利。本場(chǎng)區屬扇間洼地型低平原,地勢平坦開(kāi)闊,植被不甚發(fā)育,多辟為桃樹(shù)林。唐山新火車(chē)站的建筑外觀(guān)設計進(jìn)行了大膽創(chuàng )新,特別是東、西兩側的大型懸挑門(mén)框更是氣勢恢弘,整個(gè)建筑采取了“旭日初升”的美好立意,唐山新站迎著(zhù)東方初升的旭日,沐浴在和諧溫暖的晨光中,“旭日初升”契合了唐山站在城市空間發(fā)展中的重要地位,見(jiàn)圖1。寓意了唐山新世紀蓬勃發(fā)展、蒸蒸日上的朝氣,預示了唐山城市發(fā)展的美好未來(lái)。建成后的新火車(chē)站將成為城市主干道——新華西道西端的唐山城市名片。
     

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    圖1 唐山火車(chē)站大型懸挑門(mén)框效果圖
     

    站房懸挑結構位于站房高架層東西兩端部位,懸挑結構由單片次桁架組成,最大懸挑達28米,最小懸挑為2.3米;懸挑結構之間由單片主桁架及區塊次結構連接,單片主桁架長(cháng)度為9~12米。具體結構特點(diǎn)詳見(jiàn)下圖2-5所示:

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    圖2 唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù) 懸挑單片次桁架及撐桿    

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    圖3 唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù) 單片主桁架

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    圖4 唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù) 區塊次結構  

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    圖5 唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù) H型鋼梁
     

    1. 工程重難點(diǎn)
          1.1場(chǎng)地條件限制
          由于現場(chǎng)場(chǎng)地條件的限制,現場(chǎng)無(wú)法進(jìn)行支撐架的設置。同時(shí)大型吊機只能固定一處進(jìn)行安裝作業(yè),為配合本方案進(jìn)行懸挑結構的安裝,需要另外的大型汽車(chē)吊配合安裝,場(chǎng)地限制捉襟見(jiàn)肘。
          1.2懸挑結構安裝方法困難
          由于懸挑結構都為單片形式,且最大懸挑達到28米,如設置支撐架則由于場(chǎng)地限制無(wú)法形成,整個(gè)安裝過(guò)程只能靠結構本身的支撐體系完成。
          1.3 測量控制保證困難
          由于懸挑桁架都為單片桁架,在高空安裝時(shí),懸挑結構的安裝標高及懸挑端部的左右位移將很難得到有效控制

    2. 懸挑結構安裝思路及順序
          根據懸挑結構的安裝特點(diǎn),結合現場(chǎng)實(shí)際情況。在進(jìn)行懸挑結構安裝時(shí),將組拼完成的單片懸挑次桁架與斜撐桿連接在一起(通過(guò)銷(xiāo)軸連接及手拉葫蘆),使用大型履帶吊將單片懸挑次桁架與斜撐桿的組合體同時(shí)起吊。當該組合體吊至設計安裝位置后,先將斜撐桿與混凝土柱上的預埋件通過(guò)銷(xiāo)軸連接固定起來(lái),再通過(guò)吊機下鉤的過(guò)程使組合體中單片次桁架上弦桿及下弦腹桿與原結構桁架對接,同時(shí)懸挑單片次桁架懸挑端部通過(guò)攬風(fēng)繩調節側向位移,并起到臨時(shí)固定作用。最后,施工人員在次桁架上、下弦桿同時(shí)進(jìn)行焊接。在焊接作業(yè)完成后,履帶吊機才能松鉤。
        由于H型鋼梁在懸挑結構之間都有設置,且H型鋼梁是通過(guò)螺栓形式與次桁架上弦桿檁托連接,鋼梁安裝方便快捷。那么根據這一特點(diǎn),在進(jìn)行懸挑次桁架的安裝時(shí),除通過(guò)攬風(fēng)繩控制次桁架懸挑端部位移外,攔風(fēng)繩只能起到臨時(shí)連接的作用。所以,通過(guò)H型鋼梁將兩個(gè)相鄰的懸挑次桁架連接起來(lái),形成一個(gè)剛性連接,這樣對懸挑結構在安裝時(shí)的臨時(shí)穩定性起到很大的作用。
        在相鄰的懸挑次桁架安裝完成后,除H型鋼梁的安裝外,緊接著(zhù)將單片主桁架和區塊次桁架通過(guò)汽車(chē)吊進(jìn)行安裝,這樣從結構上形成了一個(gè)穩定的區塊。
        再根據整體結構設計形式看,懸挑結構南北兩側懸挑長(cháng)度為2m左右(1軸、16軸為三角懸挑次桁架,2軸、15軸為單片懸挑次桁架,這四個(gè)懸挑結構無(wú)斜撐桿),所以整體安裝將從一側向另一側(即由北向南安裝或由南向北安裝)進(jìn)行。
        按照上述這些安裝思路及順序,相鄰之間的懸挑次桁架、中間次結構連續安裝,最后完成整個(gè)懸挑結構的安裝。
          按照圖紙要求和上述思路,鋼結構站房安裝順序如下(以由北向南安裝順序為例):

    [page]16軸三角懸挑次桁架安裝(不含撐桿)         
          15軸單片懸挑次桁架安裝(不含撐桿)    
          15~16軸之間次結構安裝(含H型鋼梁)      
          14軸單片懸挑次桁架安裝       
          14~15軸之間次結構安裝(含H型鋼梁)      
          13軸單片懸挑次桁架安裝      
          13~14軸之間次結構安裝(含H型鋼梁)
          ……2軸單片懸挑次桁架安裝(不含撐桿)      
          2~3軸之間次結構安裝(含H型鋼梁)
          1軸三角懸挑次桁架安裝(不含撐桿)      
          1~2軸之間次結構安裝(含H型鋼梁)

          施工順序如下圖6所示(以西側Ⅲ段懸挑結構安裝順序為例):

     

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    圖6 唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù):懸挑結構

    3. 懸挑結構安裝流程
          由于懸挑單片次桁架與斜撐桿將組成一個(gè)組合體同時(shí)起吊,所以在地面起吊時(shí),將斜撐桿與桁架連接過(guò)程至關(guān)重要,詳見(jiàn)下列步驟圖:
          第一步:事先設置馬蹬(其高度根據實(shí)際情況確定),將斜撐桿一端通過(guò)汽車(chē)吊吊至馬蹬之上,并保持斜撐桿耳板開(kāi)口朝上。

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          第二步:將懸挑單片次桁架吊至撐桿上方。
     

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    第三步:將懸挑單片次桁架垂直下落,使桁架耳板插入斜撐桿耳板之內。

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          第四步:當耳板對接好后,保持銷(xiāo)軸孔對齊,然后將銷(xiāo)軸穿入其中。

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          第五步:斜撐桿的尾部與桁架尾部,通過(guò)鋼絲繩套和10噸的手拉葫蘆綁牢。等待組合體起吊后,尾部鋼絲繩慢慢放長(cháng),大致達到設計角度要求(鋼絲繩長(cháng)度根據角度要求設置,約比設計要求長(cháng)50cm左右)

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          第六步:組合體起吊過(guò)程中,由于起初時(shí),撐桿重量集中于懸挑單片桁架懸挑端部,尾部仍在地面擱置,為防止組合體重量不均勻而引起不水平或傾覆發(fā)生,使用25噸汽車(chē)吊在懸挑端部配合起吊。

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          第七步:待斜撐桿頭尾都與桁架連接后,慢慢起吊次桁架,斜撐桿銷(xiāo)軸端部將和桁架同時(shí)吊起,而尾部則隨著(zhù)手拉葫蘆固定的長(cháng)度慢慢放長(cháng),最后組合體形成。同時(shí),斜撐桿的安裝角度大致形成。

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          4. 現場(chǎng)安裝關(guān)鍵技術(shù)
          4.1組合體組合技術(shù)
          從上面的操作步驟及安裝方法來(lái)看,單片懸挑桁架與支撐桿將先組合成一個(gè)組合體后進(jìn)行安裝作業(yè),又由于支撐桿最大單重近達10噸左右,僅靠一個(gè)銷(xiāo)軸將單片桁架與支撐桿結合在一起,同時(shí)撐桿的大角度安裝狀態(tài)也是本次安裝的一個(gè)重難點(diǎn)之一。
          為解決上述問(wèn)題,事先將撐桿通過(guò)馬?將支撐桿的一端墊起,墊起高度由支撐桿與單片桁架之間夾角決定。穩定住支撐桿后,再將單片桁架下的耳板慢慢插入支撐桿上,通過(guò)銷(xiāo)軸連接后,組合體即組合完成。
          4.2 組合體提升平衡技術(shù)
          當組合體組合完成后,由于支撐桿與單片桁架通過(guò)一個(gè)端部連接組成,在起吊過(guò)程中,支撐桿的自由端在未離地前,其支撐桿重量會(huì )直接導致組合體不平衡,為防止此現象發(fā)生而引起不必要的危險,為組合體提升平衡,在單片桁架受力端增加一臺汽車(chē)吊,以保持整個(gè)組合體的平衡。
          4.3 組合體安裝穩定技術(shù)
          當組合體安裝至設計位置后,由于單片體系屬于不穩定狀態(tài),為整個(gè)結構的臨時(shí)穩定,同時(shí)方便焊接施工,組合體在懸挑端部設置攬風(fēng)繩,減小端部的強烈晃動(dòng),并且在尾部加強對原主結構的臨時(shí)固定,將尾部的左右和中間方向設置手拉葫蘆,這樣尾部的穩定則不會(huì )影響焊接質(zhì)量。

    [page]5. 吊裝變形驗算
          1.1  結構計算復核條件
          懸挑桁架吊裝驗算采用有限元軟件SAP2000 12.01版本計算,結構吊裝動(dòng)力系數取1.2,選?、噍S懸挑桁架進(jìn)行計算復核,如圖7~15。

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    圖7  唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù):⑧軸吊裝單元
     
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    圖8  唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù):桿件截面


    1.2  結構吊裝變形驗算

     

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    圖9  唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù):12號節點(diǎn)豎向位移17.03mm

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    圖10  唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù):5號節點(diǎn)豎向位移11.3mm

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    圖11  唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù):28號節點(diǎn)豎向位移13.1mm
     
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    圖12  唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù):23號節點(diǎn)豎向位移9.4mm
     
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    圖13  唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù):27號節點(diǎn)豎向位移12.3mm
     
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    圖14  唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù):8號節點(diǎn)豎向位移15.7mm

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    圖15  唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù):3號節點(diǎn)豎向位移10.97mm

    結構吊裝變形最大豎位移17.03mm,相對繞度最大3.7mm,吊裝最大跨度15721mm,3.7/15721=1/4249滿(mǎn)足結構吊裝安全要求。

    1.3  結構吊裝應力驗算如圖16-17

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    圖16  唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù):桿件應力比云圖

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    圖17  唐山火車(chē)站大型懸挑結構安裝技術(shù):桿件應力比柱狀圖
    結構吊裝桿件最大應力比為0.262,少數桿件應力比大于0.1,滿(mǎn)足結構吊裝安全要求。
    6 結論
          6.1 單片形式的懸挑結構在安裝過(guò)程中的主要風(fēng)險在于安裝過(guò)程中的結構平衡,防止重量分配不均而引起失穩的危險發(fā)生。而本技術(shù)則根據唐山火車(chē)站結構設計的特點(diǎn),加設簡(jiǎn)易馬蹬和手拉葫蘆,通過(guò)細微調節,在整個(gè)過(guò)程中讓結構趨于穩定狀態(tài)。同時(shí)小型汽車(chē)吊機的輔助也至關(guān)重要。
          6.2 銷(xiāo)軸連接是組合體組合的關(guān)鍵,難度主要在于支撐桿規格較大,而單片結構也為楔口形式,在未達到一定位置狀態(tài)時(shí),支撐桿端頭耳板無(wú)法與單片結構上的耳板相接觸,本技術(shù)則加上了適當高度的馬蹬或支撐架,將支撐桿墊上,使其形成一定角度,達到位置狀態(tài),這樣就滿(mǎn)足了銷(xiāo)軸連接的要求。
          6.3 本技術(shù)也充分考慮了大型單片結構在安裝過(guò)程中的變形狀況,畢竟鋼結構具有一定的彈性性能,而變形最大的情況出現在結構平臥狀態(tài)翻身至直立狀態(tài)時(shí),表現得最為突出,但由于此時(shí)并未附加其它荷載,包括支撐桿的重量,完全是結構自身重量引起,而短時(shí)間的翻身過(guò)程,在結構直立后,即恢復了原狀態(tài)。
          6.4 本文通過(guò)唐山火車(chē)站大型懸挑結構的安裝實(shí)例,證明了對超大型懸挑結構安裝的各項關(guān)鍵技術(shù)是成功的,為今后該類(lèi)結構的安裝獲得了寶貴的經(jīng)驗,可為其他工程的設計、施工提供重要參考。
    參考文獻:
          [1] 中國鋼結構協(xié)會(huì ) 建筑鋼結構施工手冊[M]. 北京:中國計劃出版社,2002.
          作者簡(jiǎn)介:
          作者1:姓名 鄭雪祥;性別 男;出身年月 1970年3月;畢業(yè)院校 西安建筑科技大學(xué);工作單位 浙江精工鋼結構有限公司;職務(wù) 項目經(jīng)理;職稱(chēng) 工程師。
          作者2:姓名 余穎 ;性別 男;出身年月 1981年4月;畢業(yè)院校 華中科技大學(xué);工作單位 浙江精工鋼結構有限公司;職務(wù) 技術(shù)總工;職稱(chēng) 工程師。

     


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