某站房大跨度鋼桁架屋蓋結構滑移安裝設計研究

郁 萬 斌

(悉地(北京)國際建筑設計顧問有限公司，北京 100013)

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某站房大跨度鋼桁架屋蓋結構滑移安裝設計研究

郁 萬 斌

(悉地(北京)國際建筑設計顧問有限公司，北京 100013)

利用有限元軟件,模擬了某站房大跨度鋼桁架屋蓋結構整個滑移過程，對屋蓋鋼桁架和滑移軌道的受力和變形進行了全過程監控和驗算，結果表明：整個滑移過程中屋蓋鋼桁架及滑移軌道整體和局部的受力與變形計算結果均滿足規范要求。

站房，大跨度，屋蓋鋼桁架，結構設計

1 工程概況

某南站主站房總建筑面積約為46 973 m2，站房地下2層：出站層-10.5 m、地下夾層-5 m，地上3層：設備夾層4.2 m、高架層9 m、商業夾層15.04 m。

2 結構選型

站房鋼結構主要包括鋼立柱、屋蓋鋼桁架、高架層夾層鋼框架、灰空間幕墻鋼結構四個部分(見圖1)。屋蓋桁架為方管桁架結構，主要形式為平面片狀桁架，屋蓋由縱橫交叉的平面方管桁架組成，主桁架：順軌向20榀，垂軌向8榀，桁架軸線高3 m，主桁架將屋蓋分割成55塊，各分塊之間通過次桁架相連，使整個屋蓋鋼結構組合成一個整體。站房屋蓋南北寬139.58 m，東西長254.5 m，屋蓋鋼桁架最大跨度為42 m，兩側懸挑18.95 m，重約3 825 t。

屋蓋鋼桁架位于線路1站臺～7站臺上方，其中營業線有杭長場2,3道，杭甬場8,9道，普速場12,13道，擴建場19,20道，屋蓋桁架結構施工時，上跨8條鐵路營業線，是整個車站建設的重點和難點。

方管桁架結構有如下幾個優點[1,2]：

1)采用相貫節點，外形簡潔、大方，能夠較好地體現結構美；

2)采用圓鋼管，截面回轉半徑大，能夠最大限度地利用材料；

3)防腐、清潔容易，在節點處各桿件直接焊接，不會形成死角和凹槽。

屋蓋鋼桁架為方管桁架結構，主要形式為平面片狀桁架，整個屋蓋鋼桁架由橫向、縱向主次桁架組成。屋蓋鋼桁架軸測圖如圖2所示。

3 桁架安裝總體設計方案

液壓同步頂推滑移技術已成功的應用于大型車站、會展中心、體育場館、飛機場等屋蓋鋼桁架安裝施工中[3-10]。“液壓同步頂推滑移技術”采用液壓頂推器作為滑移驅動設備[8]。

在本工程中，屋面鋼桁架滑移安裝采用液壓同步頂推滑移技術[11，12]。站房屋蓋鋼桁架施工時，站房結構9 m層以下土建結構已施工完畢，根據屋蓋鋼桁架規模及有限的施工場地條件，屋蓋鋼桁架施工采用“結構分單元滑移”的施工方法進行安裝。此方法可以有效解決上跨運營線路、大跨度、大懸挑、起吊重量大屋蓋桁架安裝難題，能夠有效保證屋蓋結構的施工安裝經濟安全[13]。具體安裝總體思路如下。

將整個屋蓋鋼桁架結構劃分為9個滑移單元(分別用A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，B5表示)，其中A1單元、B1單元的桁架、檁條及拉桿在原位拼裝完成，A2，A3，A4，B2，B3，B4，B5單元的桁架、檁條、拉桿在拼裝胎架上拼裝完成后分別單獨滑移到安裝位置。滑移前將外挑桁架的油漆涂裝完成，減少灰空間位置油漆涂裝施工對既有線的影響，其余油漆施工則在桁架滑移到位后涂裝。

鋼桁架滑移施工前，搭設安裝好拼裝胎架平臺和滑移軌道。拼裝胎架平臺采用成品格構柱+H型鋼梁組合而成，搭設在東、西站房兩端。滑移軌道共設置4條，軌道分別位于②軸，⑤軸，⑧軸，軸，其中⑤軸，⑧軸兩條位于高架范圍9 m層混凝土樓板上方，②軸，軸位于高架范圍外側的灰空間位置(見圖3)。在站房四角設4臺作業半徑80 m的塔吊，作為構件垂直運輸設備。

4 鋼桁架滑移過程設計及驗算分析

4.1 鋼屋蓋結構滑移過程驗算

本滑移過程采用Midas GEN V836有限元程序仿真分析，分析確定結構構件的最大應力和變形，以驗證是否滿足規范要求[14]。模型中標準荷載組合：1.0D；基本荷載組合：1.4D。并考慮溫度荷載20 ℃～42 ℃，其中，D為被滑移結構構件自重。

屋蓋鋼桁架結構滑移過程計算結果如表1所示。通過表1可知：

1)單元一滑移過程中，結構最大應力比0.27，結構最大豎向變形為25 mm，滑移點軌道間距為42 000 mm，變形為軌道間距長的1/1 680，滿足規范[13-16]小于1/400的要求，滑移階段結構安全。2)單元二滑移過程中，結構最大應力比0.31，結構最大豎向變形為24 mm，變形為軌道間距長的1/1 750，滿足規范[13-16]小于1/400的要求，滑移階段結構安全。

表1 滑移階段施工驗算結果匯總

4.2 站房鋼結構滑移軌道設計及驗算

本工程為新建杭長客專杭州南站站房工程屋面鋼結構滑移軌道設計，軌道主要由主桁架，水平桁架及支撐柱組成(見圖5)。主桁架高3 m，軌道全長約240 m。

4.2.1 設計荷載

1)恒載。

結構自重由程序自動加載并計算，并考慮1.08的節點增大系數；

2)溫度作用。

初始溫度15 ℃，考慮升溫30 ℃，降溫15 ℃；

3)活荷載。

活荷載為根據工況計算得到的鋼屋蓋滑移支座反力；

4)水平荷載。

包括風荷載及鋼屋蓋滑移支座水平力。對于單個滑移支座，風荷載為7.5 kN,支座水平力為13 kN,綜合考慮水平荷載20 kN；滑移過程中滑塊與滑道有20 mm的間隙，根據工況計算，理論上滑塊與滑道不會接觸。滑移過程中應及時采取糾偏措施，防止鋼屋蓋向一側整體偏移；

5)動力荷載。

根據滑移工況，液壓系統在啟停工況下動荷載極小，考慮1.05的動力放大系數。

4.2.2 軌道滑移計算結果

1)應力比結果分析。

本次應力比提取綜合考慮Midas施工步模型，顯示軌道在各施工步下桿件的最大應力比。桿件最大應力比為0.85，出現在斜腹桿中，大于0.8且小于0.85的桿件有6根。

2)滑移整體變形分布結果分析(以東站房滑移為例)。

a.東站房第二次滑移：滑移軌道最大綜合變形為14 mm，最大豎向變形為9 mm，軌道單跨為33 500 mm，變形為軌道跨度的1/3 722，滿足規范要求。

b.東站房第三次滑移：滑移軌道最大綜合變形為19 mm，最大豎向變形為9 mm，軌道單跨為33 500 mm，變形為軌道跨度的1/3 722，滿足規范要求。

c.東站房第四次滑移：滑移軌道最大綜合變形為21 mm，最大豎向變形為9 mm，軌道單跨為33 500 mm，變形為軌道跨度的1/3 722，滿足規范要求。

3)滑移梁局部驗算。

根據滑移工況計算，滑移支座反力計算值為2 005 kN。計算模型如圖6所示，由計算結果可知，滑移軌道最大應力為177 MPa，發生在軌道梁腹板位置，滑塊作用的局部位置應力較小，滿足要求。

4)斜腹桿驗算。

為驗算斜腹桿，現在模型中施加方向相反的500 kN力，模擬滑移過程中滑移梁及腹桿的受力，由于滑移梁是上翼緣受壓，在滑移點局部范圍內對于此處滑移梁是受軸拉，可以有效改善此處滑移梁及斜腹桿的應力情況。

5 結語

針對某南站主站房屋蓋鋼桁架結構特點以及工程難點，對于上跨既有運營鐵路大跨度鋼桁架屋蓋滑移施工，有必要利用有限元軟件對整個滑移過程進行全過程模擬分析研究，對屋蓋鋼桁架的受力和變形進行全過程監控和驗算，以保證屋蓋桁架在滑移安裝過程中的安全可靠性。為未來上跨既有運營鐵路工程施工提供參考和依據，具有很高的推廣價值。

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Research on large-span steel roof structure design of a station building

Yu Wanbin

(InternationalArchitecturalDesignConsultingCo.,Ltd,Beijing100013,China)

Using finite element software, the paper simulates large-span steel roof structure sliding process of the station building, carries out whole-process monitoring and check calculation of the steel roof truss and sliding rail stress and deformation. Results show that: the whole and local stress and deformation calculation results of steel roof truss and sliding rail meet demands.

station building, large-span, steel roof, structural design

1009-6825(2017)09-0046-03

2017-01-17

郁萬斌(1981- )，男，工程師

TU248.1

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