“鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱+沙箱”支撐卸載大跨度超重混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)場(chǎng)施工技術(shù)

趙天野

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部，北京 100040）

0 引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，大型客站施工建設(shè)也迎來巨大挑戰(zhàn)，鐵路站房施工具有工期緊、任務(wù)重、節(jié)點(diǎn)時(shí)間不動(dòng)搖及交叉作業(yè)復(fù)雜等特點(diǎn)，對(duì)于在老舊車站原址進(jìn)行的新建工程還面臨既有線轉(zhuǎn)場(chǎng)的難點(diǎn)［1-3］。如何在作業(yè)面延誤的情況下，為地上結(jié)構(gòu)施工提供穩(wěn)定有效的臨時(shí)支撐，保證節(jié)點(diǎn)如期實(shí)現(xiàn)，成為施工技術(shù)的關(guān)鍵研究方向。

根據(jù)新建京哈高鐵北京朝陽站站房工程施工實(shí)際情況，進(jìn)行臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)、部件結(jié)構(gòu)及支撐體系受力設(shè)計(jì)計(jì)算和施工方法的分析研究。以鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱配合沙箱形成的臨時(shí)支撐卸載轉(zhuǎn)場(chǎng)安拆體系，在工程施工進(jìn)度、安裝拆除可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面有效滿足了施工需要。

1 支撐結(jié)構(gòu)工程概況

北京朝陽站站房總建筑面積18.3 萬m2，雨棚建筑面積6.2 萬m2。雨棚覆蓋1—7 站臺(tái)并用作停車場(chǎng)，既解決了車站市政配套停車面積不足的問題，又起到聲屏障作用，減少車場(chǎng)噪聲對(duì)場(chǎng)地周邊環(huán)境的影響。在9.35 m混凝土結(jié)構(gòu)雨棚兼停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)施工階段，北雨棚區(qū)域框架結(jié)構(gòu)受其他施工單位下層管涵結(jié)構(gòu)未施工影響，沒有結(jié)構(gòu)柱基礎(chǔ)生根的作業(yè)條件，導(dǎo)致9.35 m 雨棚結(jié)構(gòu)梁板一端無支撐，而此區(qū)域恰在鐵路轉(zhuǎn)場(chǎng)撥線施工站場(chǎng)范圍內(nèi)，為保障鐵路通車要求，必須完成頂部雨棚結(jié)構(gòu)施工任務(wù)。

最終現(xiàn)場(chǎng)采用鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱在梁體跨中位置進(jìn)行臨時(shí)支撐（見圖1），待管涵結(jié)構(gòu)施工完成后再進(jìn)行梁板施工，達(dá)到強(qiáng)度要求后再拆除臨時(shí)支撐的施工技術(shù)。經(jīng)計(jì)算，此懸挑梁板區(qū)域，結(jié)構(gòu)平面面積達(dá)到710 m2，其中包括11 根懸挑長度達(dá)18 m 的結(jié)構(gòu)梁體，梁體尺寸1 000 mm×2 200 mm，部分區(qū)域頂板厚度300 mm，總體結(jié)構(gòu)荷載16 864 kN，結(jié)構(gòu)梁底高度7.15 m，基礎(chǔ)底板高度-2.38 m，支撐體系整體高度9.53 m。因此必須采取從設(shè)計(jì)到施工對(duì)臨時(shí)支撐進(jìn)行必要的驗(yàn)證，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱、沙箱等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)施工方法進(jìn)行研究。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)

2 臨時(shí)支撐體系設(shè)計(jì)

整個(gè)支撐體系由3 部分組成（見圖2），總高度9.53 m，由下至上依次包括：

（1）底部工字鋼底座及結(jié)構(gòu)中埋件。該部分高度為0.34 m，采用32a工字鋼+20 mm鋼板組成。

（2）中部可拆卸式格構(gòu)柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。該部分高度為8.00 m，采用可周轉(zhuǎn)鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱。

（3）頂部卸載轉(zhuǎn)換平臺(tái)及卸載沙箱。該部分高度為1.19 m，采用32a 工字鋼+20 mm 鋼板+沙箱組成。可用沙箱調(diào)節(jié)施工誤差。

整個(gè)結(jié)構(gòu)荷載通過頂部結(jié)構(gòu)梁體傳至支撐體系，再從下方結(jié)構(gòu)傳出。

工程所有材料（見表1）需提前準(zhǔn)備、按時(shí)進(jìn)場(chǎng)，進(jìn)場(chǎng)和施工過程中要對(duì)材料構(gòu)配件進(jìn)行詳細(xì)檢驗(yàn)，保證材料質(zhì)量。

圖2 整個(gè)支撐體系模型

表1 工程所用材料

2.1 格構(gòu)柱建模條件

計(jì)算方法：以Midas Gen 2018（V8.75）版本進(jìn)行分析。

計(jì)算荷載：格構(gòu)柱荷載計(jì)算，由圖紙及現(xiàn)場(chǎng)情況，按最不利條件計(jì)算，梁體界面尺寸取1.0 m×2.2 m、長度取18.0 m，樓板厚度取0.3 m、長度取18.0 m、寬度取3.0 m。每立方米混凝土重量取26 kN。荷載=（1.0×2.2+0.3×3.0）×18.0×26/2=725.4 kN，考慮整數(shù)計(jì)算，荷載取值1 000 kN。根據(jù)上述荷載分別計(jì)算臨時(shí)支撐格構(gòu)柱強(qiáng)度及砂箱強(qiáng)度是否滿足要求。

2.2 格構(gòu)柱模型及受力分析

格構(gòu)柱鋼材采用Q235B，豎向立柱為P180×8圓鋼，斜撐和水平撐為P102×6 圓鋼。整個(gè)支撐體系立面見圖3，格構(gòu)柱應(yīng)力云圖見圖4。根據(jù)有限元計(jì)算分析可知：格構(gòu)柱最大壓應(yīng)力為63 MPa，小于215 MPa，滿足要求。

圖3 支撐體系立面圖

圖4 格構(gòu)柱應(yīng)力云圖

2.3 柱頂轉(zhuǎn)換平臺(tái)模型及受力分析

柱頂設(shè)置轉(zhuǎn)換平臺(tái)，平臺(tái)由32a 工字鋼和20 mm 鋼板焊接組成，鋼材材質(zhì)采用Q345B。柱頂轉(zhuǎn)換平臺(tái)剖面見圖5，格構(gòu)柱上層轉(zhuǎn)換平臺(tái)應(yīng)力云圖見圖6。格構(gòu)柱上層轉(zhuǎn)換平臺(tái)最大應(yīng)力值為238 MPa，小于305 MPa，滿足要求。

圖5 柱頂轉(zhuǎn)換平臺(tái)剖面圖

圖6 格構(gòu)柱上層轉(zhuǎn)換平臺(tái)應(yīng)力云圖

2.4 沙箱模型及受力分析

沙箱裝置采用大小2種直徑的圓管套接使用，內(nèi)側(cè)小圓管直徑820 mm，外側(cè)大圓管直徑920 mm，內(nèi)側(cè)小圓管中間加肋，底部焊接平板鋼板，圓管及鋼板材料均采用Q235B，鋼板厚度20 mm。沙箱剖面見圖7，沙箱結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖見圖8。沙箱筒體最大應(yīng)力值為29.7 MPa，小于215 MPa，滿足要求。

3 格構(gòu)柱安裝施工

格構(gòu)柱安裝主要施工工序如下：格構(gòu)柱底部結(jié)構(gòu)施工→利用全站儀定位鋼板埋件進(jìn)行安裝→底部基座定位安裝→吊車吊裝格構(gòu)柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)→格構(gòu)柱頂部平臺(tái)安裝→沙箱安裝→上方結(jié)構(gòu)模板鋼筋混凝土施工→支撐體系卸載。具體施工步驟見圖9。

圖7 沙箱剖面圖

圖8 沙箱結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

3.1 格構(gòu)柱底部結(jié)構(gòu)施工

格構(gòu)柱支撐體系生根于結(jié)構(gòu)管涵頂板上，頂板厚度800 mm，待頂板鋼筋綁扎完成后于頂板鋼筋上進(jìn)行埋件安裝。通過對(duì)整個(gè)支撐體系荷載進(jìn)行計(jì)算，為確保支撐體系穩(wěn)定性要求，保留了格構(gòu)柱下方對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)頂板的全部支撐盤扣架架體。

3.2 利用全站儀定位鋼板埋件進(jìn)行安裝

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙及支撐體系設(shè)計(jì)圖紙，在結(jié)構(gòu)梁體正下方設(shè)置1.5 m×1.5 m 鋼管格構(gòu)柱，將尺寸為300 mm×300 mm×20 mm 穿孔塞焊錨筋鋼板埋件預(yù)埋在豎向鋼管正下方的管涵結(jié)構(gòu)頂板上。

施工前，對(duì)專業(yè)測(cè)量人員進(jìn)行詳細(xì)交底，根據(jù)圖紙中的位置，利用全站儀在管涵結(jié)構(gòu)頂板的鋼筋上進(jìn)行準(zhǔn)確定位，再逐個(gè)安裝埋件。在確定埋件平面位置的同時(shí)，也要保證埋件頂面的水平位置準(zhǔn)確，同時(shí)埋板頂部的平整程度也是控制要點(diǎn)。

圖9 格構(gòu)柱安裝具體施工步驟

全部埋件由工廠加工完成后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝，埋件加工詳細(xì)信息見圖10。

圖10 埋件加工詳細(xì)信息

3.3 底部基座定位安裝

待混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到要求，根據(jù)圖紙位置，找到全部埋件并將埋件頂部沾染混凝土清理干凈，在埋件位置上方安裝工字鋼基座，位置擺放準(zhǔn)確后，將基座與埋件焊接牢固。

格構(gòu)柱底部工字鋼基座由4根工字鋼拼成方形并上覆鋼板組成（見圖11）。工字鋼全部采用長12 m、Q235B 材質(zhì)、32a 型號(hào)的工字鋼原材現(xiàn)場(chǎng)加工焊接而成，鋼板采用2 m×10 m×20 mm 厚鋼原材現(xiàn)場(chǎng)切割而成。

圖11 工字鋼基座

3.4 吊車吊裝格構(gòu)柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)

格構(gòu)柱底部基座安裝完成后，將拼裝完成的格構(gòu)柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)吊裝到基座頂部，點(diǎn)焊固定后對(duì)格構(gòu)柱進(jìn)行垂直度檢測(cè)，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，確保將格構(gòu)柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)豎向垂直，再與基座焊接連接牢固。格構(gòu)柱底座效果見圖12。

格構(gòu)柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)由長8 m、P180×8豎向立桿及P102×6斜向斜桿栓接組成，格構(gòu)柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)材料全部從外部進(jìn)行租賃，并在料場(chǎng)進(jìn)行拼裝，材料進(jìn)場(chǎng)時(shí)需進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，采用測(cè)厚儀對(duì)鋼管銹蝕位置進(jìn)行檢測(cè)，厚度不滿足要求材料嚴(yán)禁使用。待整根格構(gòu)柱拼裝完成后（見圖13），再對(duì)格構(gòu)柱表面進(jìn)行除銹、噴漆處理。

圖12 格構(gòu)柱底座效果圖

圖13 格構(gòu)柱拼裝成型

3.5 格構(gòu)柱頂部平臺(tái)安裝

格構(gòu)柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)施工完成后，在格構(gòu)柱上方設(shè)置用于支撐“卸載沙箱”的頂部平臺(tái)，與格構(gòu)柱4根立桿焊接連接。格構(gòu)柱頂部平臺(tái)結(jié)構(gòu)見圖14。

格構(gòu)柱頂部平臺(tái)由7根工字鋼及鋼板焊接而成，工字鋼全部采用長12 m、Q345B 材質(zhì)、32a 型號(hào)的工字鋼原材現(xiàn)場(chǎng)加工焊接而成，鋼板采用2 m×10 m×20 mm 厚鋼原材現(xiàn)場(chǎng)切割而成。

3.6 沙箱安裝

格構(gòu)柱頂部平臺(tái)安裝完成后，在平臺(tái)頂部設(shè)置卸載沙箱裝置，起到卸載荷載、調(diào)節(jié)施工誤差高度及支撐上部結(jié)構(gòu)的作用。沙箱卸載裝置由d=820 mm、d=920 mm、h=20 mm 厚無縫鋼管、1 m×1 m×20 mm 鋼板及曬干后的細(xì)沙組成（見圖15）。

圖14 格構(gòu)柱頂部平臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖15 頂部平臺(tái)效果圖

沙箱裝置分3 步安裝：首先安裝外側(cè)大尺寸圓管，將其安裝在頂部平臺(tái)中心位置并與平臺(tái)焊接連接牢固，再向沙箱中倒入一定體積細(xì)沙，可通過調(diào)節(jié)沙箱中沙子高度來調(diào)節(jié)施工過程中產(chǎn)生的誤差，同時(shí)可控制沙箱頂部平面高度，并按照1‰～3‰起拱20～50 mm，最后將沙箱上頂蓋套入外側(cè)大圓管中，使得頂部平面高度與梁底模板底面高度相同，且頂部鋼板與梁體寬度一致。

4 質(zhì)量控制要點(diǎn)

“鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱+沙箱”的支撐卸載體系質(zhì)量嚴(yán)格執(zhí)行GB 50300—2013《建筑工程施工質(zhì)量統(tǒng)一驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》、GB 50755—2012 《鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》、GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》等相關(guān)設(shè)計(jì)施工規(guī)范的規(guī)定［4-6］。主要控制要點(diǎn)包括4個(gè)方面：

（1）底部埋件需在結(jié)構(gòu)施工階段進(jìn)行預(yù)埋，其平面位置及標(biāo)高直接影響上部結(jié)構(gòu)的平整度及垂直度，因此埋件的預(yù)留預(yù)埋是該體系的控制要點(diǎn)。

（2）每個(gè)支撐體系的上中下3部分都在地面進(jìn)行拼裝焊接，之后采用吊車進(jìn)行吊裝。同時(shí)格構(gòu)柱的栓接焊接質(zhì)量需滿足規(guī)范要求，尤其是頂部轉(zhuǎn)換平臺(tái)工字鋼位置是整體受力最不利點(diǎn)，其焊縫質(zhì)量必須嚴(yán)格控制。

（3）頂部轉(zhuǎn)換平臺(tái)上沙箱材料尺寸及沙子干燥程度直接影響卸載流暢程度，因此沙箱尺寸及沙子含水量控制也是控制要點(diǎn)。

（4）格構(gòu)柱安裝過程中的垂直度、平整度及整個(gè)體系投入使用后的變形監(jiān)測(cè)是施工控制要點(diǎn)，要確保在鐵路轉(zhuǎn)場(chǎng)施工后整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

通過對(duì)臨時(shí)支撐方案的研究與設(shè)計(jì)計(jì)算，創(chuàng)新采用“鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱+沙箱”支撐結(jié)構(gòu)體系，利用“沙箱”卸載裝置，良好的支撐結(jié)構(gòu)，有效傳遞荷載，使結(jié)構(gòu)卸載過程平穩(wěn)便捷安全可靠，同時(shí)采用BIM 技術(shù)，對(duì)“鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱+沙箱”支撐結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行工況模擬分析，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)形式，保證結(jié)構(gòu)功能穩(wěn)定。比常規(guī)施工方案節(jié)約了大量成本及工期，且安全實(shí)用，極大提高了施工效率，施工質(zhì)量也得到大幅提高。京哈高鐵北京朝陽站通過“鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱+沙箱”支撐卸載大跨度超重混凝土結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)場(chǎng)施工技術(shù)的成功實(shí)施，為支撐卸載大跨度超重混凝土結(jié)構(gòu)施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的推廣應(yīng)用前景。