重型施工荷載下高鐵站房高架層臨時加固設(shè)計與計算方法

藺再強(qiáng)

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100043）

0 引言

近年來，我國高鐵建設(shè)飛速發(fā)展。2008 年 8 月京津城際鐵路建成運(yùn)營，標(biāo)志著中國正式邁入 300 km/h 的高鐵應(yīng)用時代，至今我國已建成世界上最大規(guī)模的高速鐵路網(wǎng)，為國人生活和出行帶來了極大便利的同時，也為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了強(qiáng)勁動力。據(jù)統(tǒng)計，2020 年全國高速鐵路里程由 2015 年底的 1.9 萬公里增加到了 3.79 萬公里，增加了 91.4 %，在建高速鐵路里程約達(dá) 1 萬公里，工程量龐大。《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》［1］提出建設(shè)現(xiàn)代化鐵路網(wǎng)，堅持新改建并舉、加快既有鐵路擴(kuò)能改造，推進(jìn)既有鐵路運(yùn)能緊張路段能力補(bǔ)強(qiáng)。

在此背景下，我國高鐵站房的建設(shè)量龐大。而有著進(jìn)站、候車、商業(yè)功能的高架層［2］，主要承受裝修、行人荷載，本著經(jīng)濟(jì)的設(shè)計原則，高架層樓板結(jié)構(gòu)往往較為薄弱［3］。但在高鐵站房高架層上進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安裝時，常通過增加樓板厚度來提升結(jié)構(gòu)承載力的方式，可以輕易達(dá)到汽車吊行駛、作業(yè)的要求，但在吊裝作業(yè)完成后，樓板承載力冗余，造成了成本的增加以及材料的浪費(fèi)。

本文結(jié)合廣深港高鐵虎門站站房改擴(kuò)建項目，提出了一種臨時加固方式，通過支撐架將較薄弱的高架層豎向荷載部分傳遞至下層，給出了基于影響線的結(jié)構(gòu)及支撐計算方法，為相關(guān)項目提供思路和借鑒。

1 項目概況

廣深港高鐵虎門站站房改擴(kuò)建項目地點位于東莞市虎門鎮(zhèn)白沙村，莞太路與站北路交匯處東南側(cè)，工程包含既有鐵路橋梁南北側(cè)新建站房工程，既有站改造工程，部分新建屋面工程，改擴(kuò)建后站房總建筑面積為 25 746.3 m2，其中新建站房建筑面積 11 441 m2，既有站改造面積為 14 305.3 m2，項目效果圖如圖1 所示。

圖1 項目效果圖

其中鋼結(jié)構(gòu)工程包含南北擴(kuò)建主站房以及 4 個小飛翼鋼結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。屋蓋整體平面尺寸為長 439 m（包含飛翼），寬 87.145 m；屋面為雙曲面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)類型較多，主要有倒三角桁架結(jié)構(gòu)、曲面箱梁結(jié)構(gòu)、鋼管平面桁架結(jié)構(gòu)、箱梁平面桁架結(jié)構(gòu)等多種類型，總工程量約 10 000 t，單個鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件重量 10～25 t 不等。主體施工階段現(xiàn)場布置塔吊均為小塔吊，不具備作業(yè)需求，計劃采用 100 t 汽車吊于高架層上進(jìn)行吊裝作業(yè)。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)作業(yè)內(nèi)容

站房混凝土結(jié)構(gòu)截面尺寸及配筋如下。

高架層最小截面主梁：450 mm×1 000 mm（配筋：C8@100/200（4），5C25；11C25 3/8 ，N8C14）。

高架層最小截面次梁：300 mm×800mm（配筋：C8@200（2），3C22；5C22，N4C12）。

高架層樓板：7 290 mm×2 800 mm，5 075 mm× 3 825 mm，4 825 mm×3 900 mm；板厚 130 mm（配筋：雙層雙向C10@150）。

站臺層最小截面主梁：500 mm×1 000mm（配筋：C10@100/200（4），4C32；14C32 6/8，N8C16）。

站臺層最小截面次梁：400 mm×1 000mm（配筋：C8@150（4），4C25；7C25，N8C12）。

站臺層樓板：7 290 mm×2 800mm，5 075 mm× 3 825mm，4825 mm×3 900mm；板厚250mm（配筋：雙層雙向C14@150）。

2 高架層臨時加固設(shè)計與計算方法

2.1 臨時加固設(shè)計

承插型盤扣腳手架和扣件式腳手架是目前應(yīng)用較為廣泛的兩種。承插型盤扣腳手架安裝快捷，具備良好的穩(wěn)定性和承載力，可為結(jié)構(gòu)提供有效支撐，但其模數(shù)固定，布置時靈活性不足，不便于根據(jù)需求對局部位置進(jìn)行加密。扣件式腳手架布置靈活但穩(wěn)定性略差。兩種腳手架單獨(dú)使用均存在一定的局限性。

所提出的臨時加固方式為“承插型盤扣腳手架+扣件式腳手架”組合支撐架，即采用盤扣式腳手架進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體支撐加固，在局部需要加強(qiáng)部位采用扣件式腳手架進(jìn)行加密，并與盤扣式腳手架連接，如圖3 所示。

圖3 組合支撐架示意圖

組合支撐架通過盤扣式腳手架提供穩(wěn)定性，確保架體安全，通過扣件式腳手架實現(xiàn)靈活布置的需求，適用性強(qiáng)。

布置時，為方便站臺層工人作業(yè)，盤扣式腳手架立桿不宜過密，滿足汽車吊行駛要求即可；在特殊部位，如大跨度樓板板中、汽車吊支腿位置等，采用扣件式腳手架進(jìn)行加密。

2.2 計算方法

采用基于影響線的計算方法，將汽車吊荷載以移動荷載的方式施加于高架層上進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析，得到最不利荷載位置，再根據(jù)荷載實際作用面進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)分析。

對于結(jié)構(gòu)，將組合支撐架立桿考慮為兩端固結(jié)于高架層、站臺層，暫不考慮支撐架的穩(wěn)定性。在汽車吊行駛工況下，主、次梁往往能夠滿足要求，需著重對樓板承載力、裂縫進(jìn)行驗算；在汽車吊作業(yè)工況下，為了便于施工作業(yè)，需著重對支腿荷載作用在最小截面次梁上時次梁的承載力、裂縫進(jìn)行驗算。高架層通過支撐架將部分豎向荷載傳遞到了站臺層，因此在高架層結(jié)構(gòu)滿足要求后，應(yīng)對站臺層樓板、梁的承載力、裂縫進(jìn)行驗算。

對于組合支撐架，根據(jù) JGJ/T 231－2021《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》計算立桿最大承載力，由于扣件式腳手架與盤扣式腳手架相連接，無需對扣件式腳手架單獨(dú)進(jìn)行穩(wěn)定性驗算，汽車吊行駛、吊裝各工況下高架層傳遞至支撐架立桿的荷載值小于按照所計算盤扣架立桿最大承載力即可。

本臨時加固設(shè)計計算方法具體實施流程如圖4 所示。施工前，首先根據(jù)高架層上所需吊裝鋼構(gòu)件質(zhì)量初步選定汽車吊型號、工作幅度及高架層下盤扣式腳手架立桿間距，合理排布吊車支撐位置，對特殊部位采用扣件式腳手架進(jìn)行加密，進(jìn)行各工況下的結(jié)構(gòu)驗算，根據(jù)初步計算結(jié)果調(diào)整各項參數(shù)，直至結(jié)構(gòu)的承載力、裂縫寬度等滿足相關(guān)規(guī)范要求，獲取立桿最大軸向荷載值。計算盤扣式腳手架立桿最大承載力與結(jié)構(gòu)計算過程中提取的立桿荷載值進(jìn)行比較，若最大承載力大于提取荷載值，即說明組合支撐架滿足要求，可以依據(jù)計算結(jié)果編制施工方案；若最大承載力小于提取的荷載值，則需重新調(diào)整汽車吊型號、作業(yè)幅度、盤扣式腳手架立桿間距，重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算。

圖4 實施流程圖

3 實施方式與計算結(jié)果

3.1 實施方式

初步選用 100 t 汽車吊，作業(yè)幅度 10 m，盤扣式立桿間距 900 mm。采用 Midas Civil 有限元軟件進(jìn)行計算。

3.1.1 模型建立

首先建立站房局部模型進(jìn)行計算分析，荷載施加區(qū)域為中間板塊，為減少邊界條件的影響，在中間板四周增加 8 塊板提高分析精度。樓板采用板單元建立，主、次梁及柱采用單元建立。計算模型如圖5 所示。

圖5 計算模型

汽車吊行駛過程工況下，對于樓面板采用局部分析，目前 Midas Civil 軟件的影響線（面）分析功能輸出的內(nèi)力/位移值只提供“集中荷載作用”下的結(jié)果，為準(zhǔn)確分析樓板的局部受力情況，需分兩步進(jìn)行內(nèi)力計算：先采用“移動荷載”功能進(jìn)行計算，確定最不利荷載加載位置，再施加輪壓荷載進(jìn)行受力分析。對于主次梁則采用整體分析，直接使用“移動荷載”分析結(jié)果。

汽車吊吊裝作業(yè)工況下，采用局部分析的方式，汽車吊支腿下墊有鋼梁，因此支腿荷載等效為 1.5 m 線荷載；將支腿最大荷載施加在主次梁上，根據(jù) GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》驗算梁的承載力及裂縫。

3.1.2 荷載計算

1）恒載，結(jié)構(gòu)自重。25 kN/m3

2）活載，初步選用 STC1000C7 汽車吊，關(guān)鍵指標(biāo)如圖6 所示，吊車重量 54.6 t（其中 1 軸負(fù)荷 12 t，2 軸負(fù)荷 12 t，3 軸負(fù)荷10.5 t，4 軸負(fù)荷 10.5 t，5 軸負(fù)荷 9.6 t），配重 38.5 t，支腿間距 7.3 m×8.1 m。

圖6 汽車吊主要技術(shù)指標(biāo)（單位：mm）

行駛過程。不帶配重行駛時，高架層僅承受汽車吊自重，局部加載時動力系數(shù)取 1.3，因此，吊車 1、2 軸總重P1=1.3×120×2=312 kN。吊車 3、4、5 軸總重P2=1.3× 306=397.8 kN。前輪的著地尺寸為 0.3 m×0.2 m，后輪著地尺寸為 0.6 m×0.2 m（偏于保守仍取 0.3 m×0.2 m）。因此，前輪輪壓為：P1=312/［4（0.3×0.2）］=1 300 N/m2，后輪輪壓為：P2=397.8/［6（0.3×0.2）］=1 105 kN/m2。

帶配重行駛情況下，前輪輪壓為：P3=512.2/［4（0.3×0.2）］=2 134.17 N/m2，后輪輪壓為：P4=698.1/［6（0.3×0.2）］=1 939.17 kN/m2。

吊裝過程。對于 STC1000C7 吊車，自重 54.6 t，配重 38.5 t，在吊裝過程中，平臺層承受汽車自重和吊重。根據(jù)該類型汽車吊的吊裝參數(shù)，當(dāng)起吊 25 t 荷載時，工作幅度為 6 m，支腿縱距 7.3 m，橫距（全伸）8.1 m。支腿伸出后汽車輪離地。因此，支腿最大壓力F1=（546+385+250）/4+250×6/（7.3×2）=397.99 kN，最小壓力F2=（546+385+250）/4-250×6/（7.3×2）=192.51 kN。

荷載基本組合，1.3 恒載+1.5 活載。

荷載標(biāo)準(zhǔn)組合，1.0 恒載+1.0 活載。

3.2 計算結(jié)果

3.2.1 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

根據(jù) GB 50010－2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算，有限元計算結(jié)果及結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果詳如表1 所示。由表1 可知，①汽車吊不可帶配重行駛；②汽車吊支腿支撐于主梁上時，作業(yè)幅度可達(dá)到 10 m，主梁下支撐架立桿間距為 900 mm；③汽車吊支腿支撐于次梁上時，作業(yè)幅度應(yīng)控制在 6 m 以內(nèi)，次梁下支撐架立桿間距應(yīng)加密為 450 mm。

表1 各工況下承載力、裂縫驗算結(jié)果

汽車吊不帶配重行駛工況于高架層上，樓板內(nèi)力如圖7 所示；汽車吊（作業(yè)幅度 6 m）支腿作用在截面最小次梁上，梁內(nèi)力圖如圖8 所示。

圖7 高架層次梁內(nèi)力圖

圖8 高架層樓板彎矩圖

3.2.2 組合支撐架計算結(jié)果

根據(jù) JGJ 130－2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》對不同支撐架進(jìn)行驗算，立桿間距 900 mm，步距 900 mm 的扣件式腳手架進(jìn)行承載力計算，Nmax，1=19.6 kN；對立桿間距900mm、布局1 000 mm 的盤扣式腳手架進(jìn)行承載力計算，Nmax，2=70.7 kN。

根據(jù)結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果，不同工況、不同位置支撐架立桿軸力如圖9～圖11 及表2 所示。若僅采用扣件式腳手架，不滿足穩(wěn)定性要求，僅采用盤扣式腳手架，次梁下部不加密不滿足裂縫驗算要求，采用“承插型盤扣腳手架+扣件式腳手架”組合支撐架不但可以滿足支撐架穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、裂縫寬度等要求，布置方式上還具備較高的靈活性，便于實施。

表2 立桿軸力值

圖9 樓板下立桿最大軸力圖（900 mm）

圖10 次梁下立桿最大軸力圖（450 mm）

圖11 主梁下立桿最大軸力圖（900 mm）

4 結(jié)語

對于高鐵站房項目，于高架層上進(jìn)行汽車吊作業(yè)的難度較大，提出了一種通過“承插型盤扣腳手架+扣件式腳手架”組合支撐傳遞高架層豎向荷載至下層的臨時加固方式，此方式通過盤扣式腳手架提供穩(wěn)定性，采用扣件式腳手架在特殊位置局部加密并與盤扣式腳手架相連接，實現(xiàn)靈活布置的需求。

文中給出了基于影響線的臨時加固設(shè)計及計算方法，即采用整體分析獲取荷載施加最不利位置，根據(jù)荷載實際作用形式施加于最不利位置進(jìn)行局部分析。

在結(jié)構(gòu)驗算時，可將組合支撐架立桿考慮為兩端固結(jié)于高架層、站臺層，對各作業(yè)工況下樓板、主次梁的承載力、裂縫等進(jìn)行驗算。對于組合支撐架，按照盤扣式腳手架進(jìn)行立桿最大承載力計算，扣件式腳手架與盤扣式腳手架相連接，無需對扣件式腳手架單獨(dú)進(jìn)行穩(wěn)定性驗算。

結(jié)合廣深港高鐵虎門站站房項目應(yīng)用所提臨時加固方式進(jìn)行了設(shè)計及計算，為相關(guān)項目提供參考和借鑒。Q