單元式傘狀網架屋蓋分區施工技術

王靜波，姬建華

(中鐵電氣化局集團北京建筑工程有限公司，北京 100039)

1 工程概況

廣清城際廣州北站位于廣州市花都區既有武廣高鐵廣州北站西側，站場規模為四臺六線，車站采用“高架候車+線側站房”的布局方式，站房總建筑面積41 748.71m2。車站地上2層，首層為售票廳及站臺層，2層為高架候車層，地下1層為出站層，采用上進下出的旅客流線模式(見圖1)。

圖1 廣清城際廣州北站

車站鋼屋蓋由12個傘狀網架單元按照4×3方式組成，其中東側4個單元鄰近武廣高鐵站臺，東側和中部共計8個單元覆蓋2層高架候車層及下部軌行區，西側4個單元覆蓋側式站房及站前廣場。平面尺寸約為186m×142m，結構高度33.5m，最大跨度51m，最大懸挑長度22.5m(見圖2)。傘狀網架單元由H型鋼主桁架與圓管次桁架組合而成，通過4根六邊形錐管分叉柱與柱頂鑄鋼件連接，采用1根直徑1 400～1 200mm變截面鋼管混凝土柱支撐，傘狀網架單元尺寸為45m×45m(見圖3)。

圖2 鋼結構屋蓋

圖3 傘狀網架單元構造

2 周邊環境

站房東側為既有武廣高鐵廣州北站，主體結構距高鐵站臺雨棚結構2.5m左右，西側為廣州地鐵9號線廣州北站D出入口及花都汽車客運總站，北側為待拆遷居民樓，距站房屋蓋水平距離5m左右，南側為廣州地鐵9號線廣州北站B出入口(見圖4)。施工場地狹小，安全風險極高。

圖4 工程周邊環境

3 施工難點

本工程屋蓋鋼結構占地面積大(約20 000m2)，因節點工期要求，需為站前單位提供鋪軌通道，涉及交叉作業，現場作業空間受限，施工組織難度大。屋蓋鋼結構跨度大，空間位置復雜，用鋼量大(約6 500t)，構件數量多，鄰近武廣高鐵站臺施工，安全風險高。

站房屋蓋采用傘狀懸挑結構，提升過程中懸臂端撓度變形大，屋蓋分區提升單元形成整體前穩定性差，如何確保屋蓋單元之間合龍精度及屋蓋分區提升單元的穩定性是本工程的技術難點。

4 施工方案

4.1 施工分區

根據廣州北站站房結構特點及交叉作業條件，將站房屋蓋分3個區組織施工，自西向東分別為1，2，3區，其中3區鄰近武廣站臺，2，3區覆蓋站場軌道,每區由4個傘狀屋蓋單元組成，1區又因塔式起重機拆卸原因分為1-1區和1-2區(見圖5)。

圖5 屋蓋結構分區

4.2 施工工藝特點

根據廣州北站鋼結構屋蓋的結構形式，常用的安裝方案有高空散拼和整體提升(頂升)兩種，兩種方法的優缺點如下。

1)高空散拼 優點為：機動靈活，受場地限制小，對其他專業施工影響小，可以利用塔式起重機吊運材料先行施工下部樓層板結構。缺點為：起重機噸位大，樓層板需要提前加固或反頂驗算，構件吊裝量大，高空焊接多，存在較大的安全和質量風險。

2)整體提升(頂升) 優點為：構件在地面拼裝質量易于控制，結構整體性好，安全性高，工期快。缺點為：對場地要求高，對其他專業影響大，下部樓層板結構需在屋蓋提升后施工，無法利用塔式起重機吊運材料。

4.3 施工方案選擇

3區鄰近武廣高鐵站臺，從安全方面考慮，采用地面拼裝整體提升工藝進行施工。因鋪軌節點工期要求，2區采用高空散拼方式施工。在站臺上搭設貝雷梁支撐體系施工樓層板結構，滿足無砟軌道交叉施工條件，然后利用樓層板施工階段的3臺TC7052塔式起重機吊裝屋蓋鋼結構。1區位于站場西側，場地條件相對較好，且下部樓層板結構較少，采用地面拼裝整體提升工藝進行施工。

總體施工順序為先行提升1-1區和1-2區屋蓋結構，為3區屋蓋提升積累經驗和提升參數，確保3區鄰近高鐵施工安全。1區提升完畢后進行3區提升，最后進行2區屋蓋鋼結構高空散拼。在滿足施工安全與質量前提下，確保與無砟軌道的交叉作業，同時站房土建和鋼結構形成流水施工，提高了施工效率并節約了資源。

5 關鍵施工技術

5.1 鋼柱吊裝

傘狀屋蓋柱腳采用插入式，錨栓及部分鋼柱均插入承臺內。根據柱腳特點，承臺分兩次澆筑，一次澆筑至柱底板標高固定錨栓，鋼柱吊裝完成后二次澆筑剩余混凝土。地下結構施工完畢后，首先吊裝鋼柱及柱頂鑄鋼件，鋼柱分節吊裝，均采用100t汽車式起重機從地面吊裝。

直接用鋼柱上端的連接耳板作為吊點，為穿卡環方便，在深化設計時將連接板最上面的一個螺栓孔的孔徑加大，作為吊裝孔。鋼柱吊裝采用四點綁扎法，使鋼絲繩受力均衡(見圖6a)。鋼柱吊裝后用臨時連接耳板連接，作為鋼柱的臨時固定，待測量校正并焊接完成后，將臨時連接耳板割除(見圖6b)。鋼柱安裝有錯位時，采用鋼柱錯位調節措施進行校正，主要工具包括調節固定托架和千斤頂(見圖6c)。每吊裝完成一節鋼柱，灌注一次混凝土。

圖6 鋼柱吊裝示意

5.2 提升區施工

5.2.1提升支撐架設計

根據結構受力特點，每個傘狀屋蓋單元設一組提升支撐架，每組支撐架設置4個格構式胎架并通過連系桿件將胎架連接成為整體。格構式胎架由多個標準節組成，標準節高度為4m，截面尺寸為2m×2m (見圖7a)。胎架高度為37m，單個胎架承載力為3 300kN。

提升平臺由格構式支撐架、提升梁、短柱節點、支架連系桿、支架加固桿及水平加固桿等組成，各桿件之間采用焊接連接，采用一級熔透焊縫(見圖7b)。

圖7 格構式胎架及提升平臺

5.2.2提升設備

提升器采用YS-SJ-180型穿心式液壓提升器，安裝在提升梁上，額定提升能力1 800kN。采用φs17.8 1 860級高強度低松弛預應力鋼絞線作為承重索具，抗拉強度，破斷拉力≥360kN。每束鋼絞線根據提升點反力配備6～11根。經計算提升點最大反力1 285kN，提升能力滿足要求。

5.2.3同步提升原理

以3區4個傘狀屋蓋單元整體提升為例，結構尺寸為186m×45m，質量約1 450t，共設置4組提升架，每組提升架設置YS-PP-15型液壓泵源系統，為液壓提升器提供液壓動力，每組提升架設置4個提升點，提升點設置行程傳感器，利用信號連接線將行程傳感器和液壓泵源系統連接至計算機控制系統。每臺液壓提升器處各設置一套行程傳感器，用以測量提升過程中各臺液壓提升器的提升位移同步性。主控計算機根據各傳感器的位移監測信號及其差值，構成“傳感器—計算機—泵源控制閥—提升器控制閥—液壓提升器—提升單元”的閉環系統，控制整個提升過程的同步性。

5.2.4試提升

試提升根據吊點反力按照20%，40%，60%，70%，80%，90%，95%，100%進行分級加載，每步分級加載完畢，均應暫停并檢查上下吊點結構、提升單元等加載前后的變形情況，以及主體結構的穩定性等情況。一切正常后繼續下一步分級加載。

提升單元離開拼裝胎架約150mm后，利用液壓提升系統設備鎖定，空中停留12h作全面檢查。各項檢查正常無誤，再進行正式提升。

5.2.5正式提升

提升前用儀器測量各吊點的離地距離，計算出各吊點相對高差。通過液壓提升系統設備調整各吊點高度，使提升單元達到設計姿態。以調整后的各吊點高度為新的起始位置，復位位移傳感器，在整體提升過程中，保持該姿態直至提升至設計標高附近。

在提升過程中采用全站儀對提升單元上的觀測點進行監控，每提升5m高度進行一次測量，根據測量結果進行高度微調。微調采用手動模式，根據需要，對整個液壓提升系統中各吊點的液壓提升器進行同步微動(上升或下降)，或對單臺液壓提升器進行微動調整，調整精度可以達到毫米級。提升單元提升至距離設計標高約200mm時，暫停提升，各吊點微調使結構精確提升至設計位置，液壓提升系統設備暫停工作，保持提升單元的空中姿態，及時吊裝分叉柱，使提升單元結構形成整體穩定受力體系(見圖8)。

圖8 鋼結構屋蓋提升

5.2.6結構卸載及措施拆除

為確保結構安全，3區屋蓋結構提升架拆除前需將樓面鋼梁及2區部分屋蓋主桁架安裝完成(見圖9)，從而提高提升區屋面的抗傾倒能力(1區因提升架不影響下部樓面結構施工，待2區屋蓋結構吊裝完成形成整體后拆除)。按照100年一遇風荷載進行3區結構卸載后穩定驗算，根據計算結果，風荷載作用下屋面x向最大位移為156mm，y向最大位移109mm，均小于規范允許值166mm，滿足結構安全要求。

圖9 3區屋蓋結構樓面鋼梁與2區及部分屋蓋主桁架連接

后補構件安裝完成后對各對接口的焊縫進行檢驗，檢驗合格后進行結構卸載，按20%，40%，60%，70%，80%的方式進行分級卸載，卸載過程應緩慢進行，直至鋼絞線達到松弛狀態。卸載完成后保持鋼絞線與結構連接狀態24h。從卸載完成時起，每隔6h對變形控制點進行變形觀察，結構24h內無變形后方可拆除胎架。

5.3 吊裝區鋼結構施工

2區采用高空散拼方式安裝，因涉及交叉施工，場地受限，屋蓋鋼構件在場外拼裝成桁架單元后運至現場利用塔式起重機吊裝。根據屋蓋結構特點，將傘狀網架單元分解成主桁架、次桁架和屋脊線3種拼裝單元(見圖10)，主桁架與屋脊線截面尺寸較大均分為單片狀，分段后最重達8.2t；次桁架截面尺寸較小分為塊狀，分塊最重段7.8t。

圖10 3種拼裝單元

吊裝區屋蓋桁架分段后最重段為8.2t，位于TC7052塔式起重機40m吊裝半徑內，此范圍塔式起重機可起吊10.3t，滿足起重工況要求；吊裝區最遠端構件質量7.43t，位于TC7052塔式起重機50m吊裝半徑范圍內，此范圍塔式起重機可起吊7.9t，滿足起重工況要求。

2區屋蓋結構吊裝完畢后檢驗對接口焊縫，檢驗合格后拆除塔式起重機。利用25t汽車式起重機從樓面結構吊裝塔式起重機影響部位嵌補構件，完成屋蓋結構安裝(樓面結構由貝雷梁支撐體系反頂，經驗算滿足受力要求)。

5.4 各區段屋蓋合龍精度控制

1，3區屋蓋提升就位后，吊裝2區屋蓋鋼結構，完成各區段屋蓋合龍，形成整體。為提高各區段合龍精度，屋蓋結構地面拼裝時根據計算機仿真計算結果進行預起拱，并在結構提升階段加強監測，出現偏差時及時進行手動微調。結構提升到位后對嵌補構件對接點進行復測，并微調到位，滿足安裝尺寸要求。2區屋蓋桁架按照先主后次、對稱進行的順序。南北方向主桁架采用兩端同時吊裝，對接口采用臨時連接馬板固定，并采用全站儀對構件標高及對接口坐標復核無誤后進行焊接。圓管次桁架采用地面拼裝分片吊裝，吊裝順序為由中間至懸挑端。

6 效益分析

6.1 經濟效益

站房屋蓋結構地面拼裝整體提升相比高空散拼節約了一定數量的支撐胎架及防護措施。由于地面拼裝施工效率較高，節約大量起重機租賃費用和人工成本。3區屋蓋結構整體提升相比2區屋蓋結構高空散拼約節約費用120萬元，具有很好的經濟效益。

6.2 工期效益

1，3區屋蓋結構采用整體提升工藝安裝，耗費工期35d，2區屋蓋結構采用高空散拼工藝，耗費工期55d，整體提升工藝可縮短工期20d。廣州北站站房結構和無砟軌道涉及交叉施工，根據原施工組織，屋蓋結構全部采用整體提升工藝，站房結構施工需占用工期3個月，采用分區提升+高空散拼相結合的工藝后，站房結構僅施工貝雷梁支撐體系占用工期15d，為廣清全線鋪軌縮短工期75d。

6.3 質量效益

1，3區屋蓋鋼結構采用地面拼裝焊接，2區屋蓋鋼結構在地面拼裝成桁架單元后進行吊裝，由于大量的拼裝焊接工作在地面完成，屋蓋結構拼裝及焊接質量得到保障。根據第三方焊縫檢測報告，屋蓋鋼結構一、二級焊縫一次性檢測合格率達到100%。

本工程屋蓋結構采用同步提升工藝，根據計算機仿真計算結果進行提升點桿件加強和結構起拱，并通過實時監測數據對結構姿態進行微調，有效確保了各單元之間對接精度。

6.4 安全效益

由于大量的拼裝及焊接作業在地面進行，大幅減少了高空作業量，降低了高空作業風險。3區采用地面拼裝整體提升工藝，降低了鄰近高鐵營業線施工風險。本工程施工過程安全可控，未發生一般及以上安全事故。

本工程采用有限元軟件MIDAS對整個施工過程進行仿真計算分析，提升時結構的應力、變形，桁架結構體系的強度、剛度均滿足施工要求，為屋蓋結構安全提升提供了理論依據。

7 結語

廣清城際廣州北站站房屋蓋鋼結構采用分區提升+高空散拼相結合的施工方法，成功解決了施工場地受限，鄰近既有地鐵線施工安全風險高，施工工期緊迫及與無砟軌道交叉施工等一系列施工難題。通過計算機軟件仿真計算分析和同步提升系統的毫米級微調，實現了各屋蓋單元之間的精確合龍。本工程施工組織合理，方案選用得當，安全、質量及工期均得到了有效保障，產生了良好的效益，為類似工程施工提供了借鑒。