廣州南站大型空間鋼結構的制作與施工技術

藺軍 丁建強 高繼領 任軍

江蘇滬寧鋼機鋼機股份有限公司 江蘇宜興 214231

摘 要：廣州南站是我國新建的四大高鐵客運樞紐之一，結構主體采用了站橋共柱形式，地下層為現澆鋼筋混凝土結構，12.0m層以上為大跨度預應力梁板混凝土與鋼桁架梁柱組合結構，21.0m層以上及屋面采用大跨度空間鋼結構體系。本文主要對其極富特色的站臺無柱雨棚鋼桁架支撐預應力索拱結構、主站房及中央采光帶、入口大廳懸挑結構的預應力索拱與索殼組合弧形屋蓋鋼結構體系的構件與節點制作、主體鋼結構的施工安裝等內容進行說明，著重闡述了其中的重要節點及構件所采取的加工制作技術、預應力索拱與索殼的張拉施工等關鍵技術措施與結構施工全過程的有限元數值分析等重點內容，可供同類大型建筑鋼結構工程的設計與施工參考。

關鍵詞：廣州南站 大型空間鋼結構 索拱 索殼 加工制作 施工技術 數值分析

1.工程概況

廣州南站位于廣州市番禺區，是全國新建的四大高鐵客運樞紐之一，總建筑面積約36萬平米，建筑最高點標高52m，共三層，其中頂層大跨度鋼結構屋蓋投影面積為21萬平方米，其整體建筑效果如圖1所示。

圖1：廣州南站整體建筑效果圖

根據建筑使用要求與結構設防烈度等因素綜合考慮，廣州南站結構主體采用站橋共柱形式，地下層為現澆鋼筋混凝土結構；12.0m層以上采用大跨度預應力梁板混凝土與鋼桁架梁柱組合結構；21.0m層以上及屋面采用大跨度鋼結構體系，平面形狀為邊緣有突出的近似正方形，平面尺寸576m×475m；主體結構用鋼量達8萬噸。屋蓋鋼結構主要包括無站臺柱雨棚、主站房弧形鋼屋蓋、中央采光帶、入口大廳四個部分，其中無站臺柱雨棚采用鋼桁架支撐的預應力索拱結構，主站房屋蓋、中央采光帶、入口大廳懸挑結構為鋼桁架支撐的預應力索拱和索殼兩種結構的弧形組合鋼結構體系。鋼結構構件截面類型較多，有圓管、梭形管、長圓管及方管等，構件之間主要采用焊接、鑄鋼連接、銷軸連接、栓焊混合連接或鑄鋼與焊接混合的連接方式。

2.鋼結構的加工制作

2.1 鋼結構加工制作的特點與難點

本工程建筑設計新穎，結構類型復雜，空間跨度、懸挑尺寸大（其中索拱、索殼跨度分別達到68m和58m，入口懸挑檐口南北向跨度更達100m、東西向跨度約40m），構件類型多樣，板材厚度大，強度等級高（Q390GJC），給結構的深化設計與鋼結構加工制作、施工安裝等工作帶來了相當的難度，主要有：

（1）該工程索拱和索殼結構安裝于頂層21.0m樓板上方，最大安裝標高達52m，施工投影面積192m×398m，屬超大型結構的施工范疇，需特別考慮施工吊裝工藝組織設計；

（2）拱與殼結構本身施工難度較大，本工程中索拱與索殼結構具有跨度大（單跨達到68m）、重量重（桁架單榀重達185噸）、外形尺寸大以及柔性預應力索結構分步張拉施工的特點；

（3）該工程材料強度高、超厚板構件較多，加上焊接量龐大、節點部位焊縫集中、焊縫質量要求高，導致結構在焊接過程中容易產生嚴重的角變形、扭曲變形、局部與整體變形，控制焊接變形與消除殘余應力、防止層狀撕裂等構件制作質量要求很高。

（4）本工程屋蓋鋼結構施工中同時進行橋梁及混凝土工程的施工，施工面積大，三項工程工序交錯，配合情況復雜，施組編制要求高。

2.2 鋼結構加工制作工藝措施

針對本工程結構在加工、制作方面的特點與難點，編制了詳細的制作、焊接工藝流程，采取了一系列有效的工藝措施，確保結構每一根構件、每一處節點的制作質量，進而保證整個工程的質量。由于節點設計的合理性對結構構件的成形難度與加工質量影響很大，在結構擴初設計階段即對結構體系的組成與連接進行了優化設計；考慮的因素主要有：構件分段易于切分與現場吊裝；節點傳力明確，剛度分配合理，符合設計意圖與計算假定，易于施工；焊縫強度等級要求合理，構造連接簡便化，盡量減少焊縫焊接拘束度等。其中關鍵的焊接工藝措施如下：

（1）焊接變形控制。本工程中鋼結構構件數量多且構件形式各異，使用了較多的超厚板，如超厚板錐形鋼管柱、厚板箱形柱、厚板焊接H型梁與箱梁、超厚板徑索拱桁架等。為控制焊后構件及板件產生較大變形，主要采取的工藝措施有：1）根據不同的焊接方法，選擇與控制合理的焊接順序，如對每條焊縫正反兩面分階段、反復施焊，或同一條焊縫分二個時間段施焊；2）通過設置胎模夾具，將異形厚板結構構件處于固定的狀態下進行裝配、定位，焊接；3）針對本工程厚板、超厚板焊接過程的特點，施焊工序注意進行預熱溫度的控制工作，如采用補償加熱法工藝流程等；厚板焊前必須進行加熱，加熱時按板材的不同厚度，采用紅外線電加熱板，并配備數顯電控箱，自動控制與調節焊接過程中的溫度；4）采取反變形措施，如在H型鋼拼裝前將上下翼緣板先預設反變形，反變形量則通過焊縫施焊過程中的熱輸入量計算及積累的工程工藝經驗綜合考慮后確定。

（2）焊接裂紋控制。為防止焊接裂紋的產生，除考慮上述各項工藝焊接條件外，主要采用以下措施：1）選取適宜焊材，控制焊材的化學成分；2）控制焊接工藝的參數、條件，提高根部焊縫質量，提高焊縫清根要求；3）控制焊縫金屬在800℃～500℃之間冷卻速度（t8/5值），方法有焊前預熱、適當增大焊接熱輸入、焊后的后熱和緩冷，以達到增大t8/5、降低冷裂紋敏感性的效果；4）焊后消氫處理以加速氫的擴散。

對厚板及“T”型焊接與連接容易發生的層間撕裂，采取的預防措施主要有：1）控制鋼材的含硫量，減少母材夾雜物及分層缺陷，增加、控制鋼材的Z向性能；2）采用合理的節點與坡口設計以減小焊縫收縮應力；如角接接頭中采用對稱坡口或偏向于側板的坡口，使焊縫收縮產生的拉應力與板厚方向成一角度，尤其在特厚板時，側板坡口面角度應超過板厚中心，以減小層狀撕裂傾向；3）采用合理的焊接工藝，如雙面坡口時采用兩側對稱多道次施焊、采用適當小的熱輸入多層焊接，選用低氫、超低氫焊條或氣體保護焊方法、焊后消氫熱處理等；4）對于梁翼緣與柱壁板熔透焊接，且為厚板“T”型焊于薄板的情況，采取局部加厚柱壁板的措施，盡量避免尺寸相差比較懸殊的厚板“T” 型對接于薄板的情況。

（3）殘余應力控制與消除。針對本工程加工過程中構件的殘余應力問題，工藝上主要從以下幾個方面進行控制：1）減小焊縫尺寸（如單坡變雙坡等）及焊接拘束度；2）采取合理的焊接順序，如先焊對接縫，次焊垂直角焊縫，再焊平面角焊縫等；3）采取補償加熱法，焊前對焊縫周邊一定范圍內進行加熱，加熱溫度視板厚及母材碳當量（CE）而定；4）對于大型結構構件采取分部、分解組裝焊接，結構各部分分別施工、焊接，矯正合格后總裝焊接。

盡管采取以上措施來控制焊接應力，但因本工程構件的特殊性，焊接完工后依然存在相當大的應力，為此還從以下幾個方面來進一步消除構件殘余應力：1）在整平過程中通過加大對工件切割邊緣的反復碾壓，利用對工件整平消除應力；2）控制加熱溫度與范圍，在構件完工后對其焊縫背部或焊縫兩側進行烘烤，通過局部烘烤釋放應力；3）對厚板箱形構件進行超聲波震動消除應力；4）采用振動時效法消除應力；5）沖砂除銹時，噴出高壓鐵砂束對構件焊縫及其熱影響區反復、均勻地沖擊，利用沖砂除銹的工序消除應力。

2.3典型節點連接的深化設計

本工程鋼結構構件類型包括圓管（桁架）、梭形管及方管、矩形管（桁架）、H形鋼（桁架）等，構件之間采用焊接、鑄鋼節點連接、銷軸鉸接、栓焊混合連接及鑄鋼與焊接混合連接的方式。大跨度屋蓋鋼結構主要采用空間相貫焊連接形式，索拱與索殼的索夾節點、變截面錐形柱分叉節點及部分柱頂節點等采用鑄鋼節點形式，少量柱頂節點采用板式剛接節點，索拱、索殼的拉索端頭、部分柱腳采用銷軸鉸結連接。由于構件與節點連接類型多、構造復雜，材料強度等級高、板材厚度大，結構的深化設計具有相當的難度。其中最重要的節點連接類型主要有：索拱與索殼張弦結構索夾節點；圓形、箱形及橢圓形變截面錐形柱分叉節點；柱頂板式加勁剛接節點；采光帶單層網殼箱梁交匯剛接節點；三向張弦梁及入口大廳懸挑結構連接節點等。此處限于篇幅，另文詳述。

3.鋼結構施工

3.1鋼結構整體施工方案

對于本工程這樣的大型空間鋼結構項目，現場施工組織設計至關重要，制定合理的施工方案并進行準確的施工過程分析是結構安全施工與順利成形的根本保證。根據主體結構的施工吊裝工藝要求與現場施工條件，本工程首先按場地分塊劃分圖設置臨時支撐，采用場內對稱、分塊（結構組成單元）與分步的結構施工方案與吊裝技術路線，分塊、逐次地進行結構支座及主構件的施工；在形成結構受力骨架主體單元后，再按要求進行分塊、局部區域的拼裝，直至結構整體吊裝完成；無站臺柱雨棚與主站房部分施工相對獨立。

針對本工程預應力鋼結構施工的難點與特點，在施工工藝上主要采取了以下的控制措施：1）嚴格控制制索精度；2）規定預應力施加過程的速率，保證結構經歷一個平穩自適應的過程；3）確定預應力施工順序，確保結構盡可能均勻、對稱、勻速地施工，避免出現過大的局部集中荷載效應并使預應力分布到整個結構；4）對鋼結構的變形、應力和預應力鋼索的受力狀況進行實時監測，保證結構的初始狀態與原設計相符。

現場預應力鋼結構施工時，將屋蓋鋼結構劃分為8個安裝分區。預應力張拉施工流程如下：1）每榀索拱桁架在地面拼裝完成后進行初張拉，張拉力根據計算確定，應保證結構起吊剛度及索拱支座間相對距離要求；2）將桁架吊裝至鋼柱定位后，B、D-1和D-2區拉索張拉時結構互相不影響，可隨著安裝逐步進行拉索張拉到位；3）對于A-1、A-2、C-1、C-2和E區，由于沿拉索軸線跨度方向受力與變形互相影響很大，需要在一個分區全部完成后，最終張拉到設計索力；4）全部屋面安裝完成后，對結構變形進行檢測，對個別誤差較大的索桁架進行張拉微調。

結構預應力施工分區圖

4.鋼結構施工過程數值分析

對于此類復雜的多類型剛柔結構組合體系，為能更好地了解結構的受力性能以便于指導鋼結構的順利施工，對整體結構的施工各階段進行考慮施工吊裝過程結構累積受力與變形效應的全過程有限元模擬計算，給出一些動態的量化控制指標，是保證工程安全有效實施不可或缺的重要環節。同時，在保證施工過程中主結構構件受力安全與合理的情況下，采用的吊裝施工分段工況盡量少，吊裝分塊盡量合理，以力圖實現最快的施工進度并取得最好的施工質量效果。

4.1 主站房計算結果

根據主站房屋蓋鋼結構施工全過程有限元數值分析結果可知，在整個施工過程中，隨著各部分結構構件的順序安裝，結構反力逐步增大，胎架支撐的最大應力為125N/mm2<210N/mm2，發生于中央采光帶下支承胎架聯系梁的上弦處（第15施工步）；主構件的最大應力為278N/mm2<310N/mm2，發生于E軸檁條的懸挑處（第18施工步），均滿足要求。

支撐胎架總體位移控制在100mm之內（鑒于此，實際施工中要求相應部位構件安裝時通過預拉纜風繩等加強其整體聯系），滿足施工要求。由于施工過程分析考慮了結構變形的累加效應，隨著結構的逐步吊裝成形，構件變形逐步加大，主結構構件的最大整體位移115mm（發生于A軸附近懸挑檁條處），均符合要求。

4.1.1 無站臺柱雨棚計算結果

從無站臺柱雨棚屋蓋鋼結構施工全過程有限元數值分析結果可知，在整個施工過程中，隨著各部分結構構件的順序安裝，結構反力逐步增大，胎架支撐的最大應力180N/mm2（局部范圍）<210N/mm2，發生于支撐頂部豎桿部位（第16施工步）；主構件最大應力117N/mm2<310N/mm2，發生于索拱端部水平桿（第11施工步）；主結構拉索最大內力1348kN

在無站臺柱雨棚施工過程中，胎架支撐水平位移較小（x向最大13mm，y向最大26mm），主要發生在格構柱頂部位，滿足設計要求；但鑒于該胎架頂部水平撐桿部位計算應力較大，且最大豎向位移也發生在此處，在設計支撐截面時予以適當加大，保證其不成為控制胎架受力的主要因素。由于施工過程分析考慮了結構變形的累加效應，隨著結構的逐步吊裝成形，構件變形逐步加大，主結構構件的最大整體位移67mm（發生于結構G～I軸/3軸索拱處），符合要求。

5.結 語

作為我國新建的四大高鐵客運樞紐之一，廣州南站大型空間鋼結構設計新穎，結構構件類型多樣、構造復雜，其節點深化設計、構件加工制作與結構施工安裝具有相當的難度。本文主要對其極富特色的站臺無柱雨棚鋼桁架支撐預應力索拱結構、主站房及中央采光帶、入口大廳懸挑結構的預應力索拱與索殼組合弧形屋蓋鋼結構體系的構件與節點制作、主體鋼結構的施工安裝等內容進行說明，著重闡述了其中重要的節點及構件所采取的制作與施工技術、預應力索拱與索殼的張拉施工等關鍵技術措施與結構施工全過程的有限元數值分析等重點內容，可供同類大型建筑鋼結構工程的設計與施工參考。

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