上海金山鐵路站廳波浪形鋼屋蓋安裝技術

陳 堅

1. 同濟大學土木工程學院 上海 200092；2. 上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

金山火車站位于上海市金山區山陽鎮金山新城。站區面積約1.6 hm。金山火車站南站房東西長約144 m，南北寬約39 m，屋蓋結構設計形式頗似海鷗。鋼結構屋蓋主要包括4 根鋼管柱和波浪形桁架結構鋼屋蓋。桿件類型主要為圓鋼管，鋼材主要采用Q345B，鋼板厚度最小為6 mm，最大為35 mm。鋼結構總質量約400 t。

1.1 鋼柱

除兩側混凝土柱外，中間大跨度部位共有4 根圓鋼管柱，鋼管柱兩端均為鉸接形式。其中位于D軸的鋼柱配合幕墻向南成9°角單向傾斜。

1.2 鋼屋面

南站房鋼屋蓋整體呈波浪形，中部最高點約23 m，并向南側呈弧形懸挑8 m。鋼屋蓋有3 個波形，中間波高約8.3 m，兩側波高約4.8 m。屋蓋采用雙向主次鋼桁架，桁架高度約2 m，上下弦桿及腹桿桿件均采用圓形鋼管。大跨度屋蓋上表面布置交叉支撐，以提高鋼屋蓋的平面內剛度，主次桁架間通過焊接節點連接（圖1）。

圖1 鋼屋蓋立面

2 工程難點分析

2.1 施工條件較差

因本工程臨近正在營運的鐵路軌道線，對施工安全管理的要求特別高，在火車開行時，鐵軌上方及安全區域都禁止進行任何施工作業，這對工程安全管理帶來很大的難度，大大延緩了施工進程。

2.2 波浪形桁架空間定位要求高

鋼屋蓋平面、立面都為波浪形，形成空間三維曲面管桁架結構形式，主次桁架通過焊接連接。由于鋼管曲線弧度不同、管壁較薄，每榀桁架焊接節點較多，且南側10～13軸間桁架最大懸挑跨度為8 m，各種因素造成了曲線屋面空間定位難度較高，這對測量校正工作提出了很高的要求。

2.3 管桁架臨時固定困難

管桁架采取分段吊裝時，在形成相對穩定的系統之前，單榀桁架都必須在操作空間狹窄的混凝土柱頂進行臨時固定，必須采取有效的固定措施確保桁架的穩定。

2.4 卸載過程受力系統轉換復雜

鋼屋面中間大跨度的管桁架使用鉸接節點的鋼管柱支撐，在桁架形成整體結構前，鋼管柱不得作為受力桿件。為確保屋面整體的穩定和系統的柔性變性，設計了承重腳手架以臨時支撐桁架。鋼管柱安裝時，要采取有效臨時固定措施，確保在卸載過程受力系統的有效轉換。

3 施工工藝選擇

為確保整個施工過程的安全實施，經過方案綜合比較，本工程采用行走式塔吊跨外分段由兩側向中間安裝曲線管桁架，以全站儀三維空間定位。對于施工過程中的承重腳手架和臨時固定等措施，專門進行了設計，并選擇合理的形式。選用安裝設備為：1 臺M440D行走式塔吊作為安裝主機，1 臺25 t汽車吊作為安裝輔機。

鋼結構安裝及吊裝順序如圖2、圖3所示。

圖2 鋼結構安裝立面

圖3 鋼屋蓋桁架吊裝順序

4 主要技術措施

4.1 行走式塔吊基礎加固

M440D行走式塔吊的軌道，一側置于消防室外首層板邊側的自然地面上，另一側置于－3.4 m標高的施工便道上。為保證塔吊的安全行走，對置于自然地面一側的軌道基礎進行了加固處理。沿全軌道長度由下而上依次為：第1道先鋪設寬3 500 mm、 厚400 mm大石塊，用100 kN級振動式壓路機先后用靜載和動載將石塊基礎壓實，第2道鋪設寬2 500 mm、厚450 mm的道渣，壓路機壓實。最后，在道渣之上鋪設寬1 800 mm 、厚250 mm細石，再用壓路機壓實并找平，以確保地基承載力滿足行走式塔吊的要求。施工便道一側則通過鋪攤黃砂找平，最終確保兩軌道基礎頂面標高相同。

4.2 桁架吊裝過程計算[1-3]

根據桁架不同的截面型式，使用MIDAS對桁架進行整體建模，分別計算吊裝過程中的變形及應力計算，最后決定主桁架采用四點吊方案（圖4）。

圖4 桁架吊裝示意

4.3 鋼屋蓋桁架測量定位

先由總包方提交一套首級控制網，經復核符合精度要求后，依此建立鋼結構安裝工程用（平面、高程）控制網。布網過程中，在首級控制點上分別架設全站儀，角度觀測四測回；超過3 個方向時，采用全圓觀測；距離采用往返測；精測時間選用早上和傍晚2 個溫度大致相等的時間段進行；外業工作結束后，進行嚴密平差；用精密水準儀通過閉合導線進行高程控制點引測，在鋼結構施工區域引測3 個高程控制點，以此形成高程控制網；所測得數據由監理驗收合格后，完成鋼結構平面和高程控制網的布設。

鋼桁架為空間結構，聯系節點較多，由加工廠直接運至現場或在現場拼裝的桁架都必須進行預檢工作。故預檢前應先根據所需預檢桁架的深化圖，計算出各個節點的尺寸，預檢時復核各個節點的相對關系，比較其實測值和設計值，符合精度要求的方可安裝。

桁架在安裝時，直接在控制點使用全站儀對桁架基準點進行三維空間定位。桁架采用液壓千斤頂校正，校正定位后，先臨時固定。為了確保鋼桁架的側向穩定，在主桁架臨時固定后，相鄰主桁架之間次桁架應及時安裝固定，以形成節間穩定體系。

4.4 混凝土柱頂桁架臨時固定措施[4,5]

混凝土柱頂主桁架通過牛腿直接焊接在柱頂埋件上，且主桁架高約2 m。因此在單榀主桁架精確定位后、次桁架尚未安裝及形成穩定結構前，必須采取有效的臨時固定措施，使得主桁架能夠固定牢靠。本施工現場在主桁架兩側使用20#槽鋼形成夾具對主桁架進行固定，槽鋼根部固定在埋件上（圖5）。

圖5 主桁架臨時固定立面和平面示意

4.5 鋼管柱臨時定位措施[4,5]

南站房候車大廳4 根高16 m的鋼管柱兩頭為鉸接形式。兩根斜鋼柱配合幕墻向南成9°角單向傾斜，與鋼屋蓋連接，斜度難以控制；2 根鋼直柱頂與鋼屋蓋鉸接且標高+6.5 m處北側有雨棚牛腿與雨棚鋼梁連接，使鋼直柱定位過程中而受到偏心影響。故在安裝時采取對垂直鋼管柱和斜柱分別采取針對性定位安裝臨時固定措施，以保證后續鋼屋蓋桁架的安裝。

4.5.1 垂直鋼管柱臨時固定

2 根鋼直柱北側有雨棚牛腿與雨棚鋼梁連接，使鋼直柱定位過程中受到偏心影響。因此，在現場采取了有效的臨時固定措施（圖6）。

圖6 垂直鋼管柱臨時固定措施

安裝前，先進行柱腳固定臨時措施構件的安裝。鋼柱吊裝時，利用柱頂兩端牛腿，采用兩點吊裝，將鋼柱安裝在固定措施構件內，用水準儀控制柱頂標高，經緯儀進行垂直度控制，并在柱頂拉設3 根纜風繩以調節三維坐標。校正到位后，鋼柱與鋼環間用鋼楔墊實，纜風繩用倒鏈抽緊固定。

4.5.2 斜鋼柱安裝及其承重腳手架設計

2 根斜鋼柱配合幕墻向南成9°角單向傾斜，且上下兩端都采用鉸接節點。在鋼屋面形成整體結構前，傾斜鋼柱將無法受力。我們遂在施工現場設計了承重腳手架，并對安裝桁架時的承重腳手架應力和變形情況進行了計算分析，以確保安裝過程的質量和安全。在傾斜鋼管柱校正完畢后，使用承重腳手配合纜風繩固定，來保證安裝定位的精度（圖7）。

圖7 承重腳手架

4.6 焊接質量控制

本工程臨近東海，施工現場風比較大且空氣濕度也比較大，為此，根據現場環境和鋼管桁架的特點進行了專項焊接工藝試驗。共選擇CO2氣體保護焊和手工電弧焊2 種不同的焊接方法進行焊接，并經試驗段焊接，結合施工進度、質量和安全方面綜合比較，最后確定了屋面鋼桁架焊接使用手工電弧焊，并制定了有效的焊接作業指導書。

現場焊工嚴格按照焊接作業指導書進行焊接，焊縫外觀質量驗收后進行了超聲波無損檢測?，F場一級焊縫共878 條，一次合格872 條，一次合格率99.3%，經一次返修后全部合格。業主委托第三方采用超聲波無損檢測結果也都為一次通過，合格率100%。

4.7 桁架卸載[6]

鋼屋蓋由東、西兩側對稱安裝至中間合攏段，在合攏段安裝、焊接完后再進行鋼屋蓋的整體卸載。屋蓋卸載前，在桁架上設置了卸載變形監測基準點，測量員對南站房無柱區域合攏段桁架進行側向彎曲、垂直度和擾度等數據定期監測，確認了結構的自身變形情況。在卸載過程中，實時監測基準點的變形情況，整個卸載過程安全可靠。屋蓋系統主、次桁架形成整體體系卸載后，基準點變形最大值為5 mm，符合規范要求，在可控范圍之內。

5 結語

根據上海鐵路金山站波浪形大跨度管桁架鋼屋蓋工程的實施結果來看，無論是吊裝機械選擇、安裝工藝還是臨時支撐設計等，都有效地保證了鋼管桁架安裝的順利進行，確保了施工的質量和安全要求。臨時支撐卸載過程中結構傳力明確，屋架整體結構變形均保持在允許范圍之內，順利實現了由臨時支撐到永久支撐的轉化。同時運用計算機仿真分析技術，確保了在管桁架吊裝過程中和擱置后的臨時支撐及承重腳手架的安全性，相關施工技術可供后續類似的工程借鑒（圖8、圖9）。

圖8 桁架現場

圖9 金山站屋面施工完成