高架車站大懸挑大跨度鋼架安裝質(zhì)量關(guān)鍵技術(shù)研究

陳喜暉 閆昌盛 吳偉文 王長春

摘要：城際鐵路車站多采用大跨度、大懸挑、雙曲面弧形的屋面設(shè)計，且施工區(qū)域多位于在城市密集區(qū)內(nèi)，施工質(zhì)量、安全難以保證，尤其是對于造型多樣且重量大的建筑懸挑段而言施工難度更大。本文以斜橋鎮(zhèn)站大懸挑鋼架安裝為例，分析了大懸挑、大跨度鋼架施工存在的難點，并通過比選確定了格構(gòu)柱法作為施工方案。經(jīng)過理論和有限元分析計算確定了格構(gòu)柱的具體設(shè)計參數(shù)，結(jié)合實際工程闡述了格構(gòu)柱支撐施工要點和相關(guān)的質(zhì)量安全控制措施。結(jié)論如下：大懸挑、大跨度鋼架安裝過程中，采用格構(gòu)柱法進(jìn)行安裝是可行的，相對吊裝法和支模架法具有施工質(zhì)量高和造價低的優(yōu)勢;在設(shè)計階段采用有限元分析可以獲得最優(yōu)格構(gòu)柱型號參數(shù)。

關(guān)鍵詞：高架車站;大懸挑;鋼架安裝;格構(gòu)柱;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TU3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）03-0139-04

隨著國內(nèi)公共與民用建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，大跨度、大空間會展場館類鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計層出不窮，但是如何將這類安裝難度超大的鋼結(jié)構(gòu)工程完美呈現(xiàn)在公眾面前，完成設(shè)計理念到實際的完美落地一直是現(xiàn)場施工管理孜孜不倦的追求。

大跨度鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，國內(nèi)許多學(xué)者從理論研究到施工技術(shù)都進(jìn)行了很多研究。Qiaosheng C 等通過模擬施工全過程的基礎(chǔ)上選擇了合理的施工方案。Xihua S 等以杭州東站東側(cè)為例，在狹窄場地中探索大跨度外挑管桁架屋蓋的吊裝施工技術(shù)。王良波等以北京望京 SOHO 工程為依托，通過受力分析，保證了整個 T2塔樓鋼屋面順利施工。孫群倫等以某會展中心建筑為工程背景，證明分段吊裝拼裝技術(shù)方法可靠。

以上列舉的研究成果，為大跨度門式鋼架的施工技術(shù)與設(shè)計優(yōu)化提供了寶貴的理論和實踐經(jīng)驗，然而大懸挑、大重量的構(gòu)件安裝施工研究依然很少。因此本文以斜橋鎮(zhèn)站為例，通過不斷優(yōu)化確定實際應(yīng)用的格構(gòu)柱參數(shù)，并提出了大懸挑剛架安裝的格構(gòu)柱法的施工工藝。

1工程概況

斜橋鎮(zhèn)車站總體呈東西向布置，位于主干公路上，車站由上至下分為站臺層、站臺板下層、站廳層。車站鋼結(jié)構(gòu)最高點高度為23.35m，跨度為33.4m，總長度108m，如圖1所示。車站兩端的懸挑的空間尺寸（長×寬×高）為34.7m×24m×12.7m，為雙曲線弧形，采用 D402×14圓鋼管。

對于斜橋車站這類大懸挑大跨度弧形鋼結(jié)構(gòu)的安裝施工存在以下難點：

（1）交叉施工難。懸挑段安裝需要設(shè)置支撐體系，支撐點在2個車站的軌行區(qū)內(nèi)，且不影響機電標(biāo)段施工，支撐體系在有限區(qū)域內(nèi)滿足懸挑段鋼架安裝。

（2）精度控制難。懸挑段鋼架高度高，構(gòu)件重量重，故安裝過程中起拱度、水平度精度控制難度非常大，安裝過程中穩(wěn)定性難以保證。

（3）安全管理難。車站位于通行一級公路上方，交通流量大，在施工期間安全防護(hù)要求高，高空墜物管理難度大。

（4）預(yù)期效果難。在屋面板工程施工中建設(shè)單位對屋面板外觀質(zhì)量上要求需與設(shè)計效果圖一致，其技術(shù)難度較大。

2施工方案確定

現(xiàn)有的研究中，大跨度鋼架主要通過場下整體吊裝施工和滿堂支架法施工，從以下4個方面依次對比。

（1）施工精度。與傳統(tǒng)的場下拼裝后整體吊裝方法相比，格構(gòu)柱法安裝門式懸挑鋼結(jié)構(gòu)，為懸挑構(gòu)件吊運、安裝提供了臨時支撐，安裝定位精度顯著提高。

（2）質(zhì)量保證。格構(gòu)柱在結(jié)構(gòu)沒有合攏之前給不完整結(jié)構(gòu)提供可靠的臨時的支撐受力點，并提供一個矯正定位的受力平臺。有效控制了整體吊裝造成的定位偏差及焊縫尺寸偏差，保證了施工質(zhì)量和完成效果。

（3）安全性。分段吊裝降低構(gòu)件吊裝重量，為構(gòu)件吊裝提供施工平臺，降低了整體吊裝風(fēng)險，減少與軌行區(qū)和其他專業(yè)施工的沖突。

（4）施工費用。格構(gòu)柱法施工與場下整體吊裝施工、滿堂支架法相比，每座車站鋼結(jié)構(gòu)懸挑段施工至少節(jié)約成本10.3萬元，具體費用對比如表1所示。

3格構(gòu)柱設(shè)計

3.1格構(gòu)柱的理論計算

對于格構(gòu)柱考慮柱身穩(wěn)定性，現(xiàn)有主要采用平衡法、動力法和能量法，其中能量法被廣泛用于臨界荷載求解，本文采用能量法進(jìn)行計算，同時考慮模型尺寸，采用綴條柱進(jìn)行計算，見圖2。

格構(gòu)柱彎曲臨界荷載公式為：

其中，b 為主肢間距，θ為斜綴條與水平軸的夾角，A1表示格構(gòu)柱主肢面積， A2表示斜綴條面積， I 為格構(gòu)柱主肢組合截面對形心軸的慣性矩。

考慮格構(gòu)柱材料的非線性，需要對鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行研究。具體參考如式2所示：

其中：ES 為彈性模量，取值2.03×105MPa，fy 鋼材的屈服強度，εe 比例極限所對應(yīng)的應(yīng)變值，εe1開始進(jìn)入屈服階段所對應(yīng)的應(yīng)變值，εe2開始進(jìn)入強化階段所對應(yīng)的應(yīng)變值，εe3強度極限所對應(yīng)的應(yīng)變值。

3.2格構(gòu)柱有限元計算和型號優(yōu)化

選用 Midas-gen 800建立了幾何模型（如圖3）。計算選取跨為一個層間并施加荷載，構(gòu)件型號根據(jù)經(jīng)驗初定，通過在不同荷載組合下的計算表明柱身穩(wěn)定性和安全性皆滿足要求，組合見表2，其中 DL 為重力荷載，LL 為活荷載，WL 為風(fēng)荷載。

為保證經(jīng)濟性，通過不斷的計算對格構(gòu)柱組件參數(shù)不斷優(yōu)化，格構(gòu)柱最終選用的具體型號如表3所示，格構(gòu)柱截面尺寸為1.5m×1.5m，單段長度2.2m。

4 格構(gòu)柱法施工

4.1 施工要點

4.1.1 安裝格構(gòu)柱連接底板

格構(gòu)柱作為臨時支撐分別設(shè)置在橋面軌道層和地

面后澆筑的基礎(chǔ)上，每個懸挑端 4 個，如圖 4 所示。

橋面軌道層的格構(gòu)柱：4個柱腳分別采用 M12化學(xué)錨栓植入梁面，然后放置方形鋼板。地面上的格構(gòu)柱：先采用全站儀放樣，將支撐點位置標(biāo)記在地面上，以點位為中心開挖結(jié)構(gòu)尺寸為2m×2m×1m 的基坑并澆筑 C20混凝土基礎(chǔ)。

4.1.2柱腳安裝

將一節(jié)格構(gòu)柱放置于連接底板上，然后將格構(gòu)柱底座與連接底板接觸位置焊牢。考慮到格構(gòu)柱架調(diào)平處理后支撐與預(yù)埋鋼板出現(xiàn)空隙，可采用在支撐架側(cè)與預(yù)埋板處增設(shè)一塊鋼板后相互焊接牢固。

4.1.3格構(gòu)柱吊裝、拼裝

對格構(gòu)柱的節(jié)段進(jìn)行場下拼裝，將4個節(jié)段拼裝成一個吊裝單體。安裝時各節(jié)段的插銷均按要求設(shè)置到位，對后續(xù)節(jié)段進(jìn)行吊裝，直至達(dá)到要求標(biāo)高位置，如圖5所示。

4.1.4柱身固定

根據(jù)現(xiàn)場實際設(shè)置纜風(fēng)繩或硬性拉結(jié)等安全措施，確保格構(gòu)柱的穩(wěn)定性。基礎(chǔ)設(shè)置在地面的格構(gòu)柱，設(shè)置“八字形”拉撐與軌道層埋件連接，在格構(gòu)柱頂部分別設(shè)置4根12#纜風(fēng)繩，保證格構(gòu)柱穩(wěn)定。相鄰格構(gòu)柱之間的連接用槽鋼相連，形成框架結(jié)構(gòu)。

4.1.5懸挑段鋼結(jié)構(gòu)吊裝

懸挑構(gòu)件按專項施工方案要求順序進(jìn)行吊裝，如圖6所示。吊裝期間，測量人員通過測量反光片及時對鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)高、平面位置進(jìn)行復(fù)核，滿足設(shè)計及規(guī)范要求后進(jìn)行臨時加固和構(gòu)件拼裝焊接，直至懸挑段安裝完成。

4.1.6格構(gòu)柱拆除

現(xiàn)場在根據(jù)實際情況對安放在地面上的4個格構(gòu)柱進(jìn)行對稱拆除，橋面軌道層的4個格構(gòu)柱保留至另一側(cè)懸挑施工完成后再進(jìn)行兩端同步拆除，以此確保懸挑結(jié)構(gòu)的安全質(zhì)量。

5結(jié)論

本文針對高架車站大跨度、大懸挑、雙曲面弧形的屋面設(shè)計特點，提出了格構(gòu)柱法的安裝施工工藝，然后結(jié)合斜橋鎮(zhèn)車站依次說明從格構(gòu)柱設(shè)計和現(xiàn)場施工工藝流程。結(jié)論如下：

（1）通過方案對比格構(gòu)柱法相對于滿堂支模架搭建和吊裝搭建法，具有施工進(jìn)度高、質(zhì)量安全可靠、施工成本低和施工快捷等優(yōu)點，社會經(jīng)濟效益顯著。

（2）通過在實際工程中的成功應(yīng)用表明格構(gòu)柱設(shè)計參數(shù)和工藝是可靠的，具有一定的工程借鑒意義。

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