武廣鐵路客運專線長沙南站鋼結構工程施工技術

王世明,楊石杰,馬福憲,李寶河

(中鐵建工集團有限公司,北京 102448)

1 工程概況(圖1)

武廣鐵路客運專線長沙南站位于長沙市雨花區(qū),建筑面積 20萬 m2,包括站房和南北對稱分布的站臺雨棚三個區(qū)域,豎向分為高架候車層、站臺層、出站層三層。站房屋蓋為整體單曲局部雙曲屋面形式,水平投影面積 5.5萬 m2;站臺雨棚為單曲面形式,水平投影面積 4.9萬 m2。鋼結構是長沙南站的主要結構形式,包括站房屋蓋系統(tǒng)、站臺層以上鋼桁架樓面系統(tǒng)及站臺層以下勁性鋼結構、站臺雨棚鋼結構等,共計 3.8萬 t。構件形式有:鋼柱(鋼管柱、樹狀柱)、鋼桁架、鋼網架、張弦梁、鋼梁、鋼梯等。本文僅對站臺層以上鋼結構工程的施工技術進行介紹。

圖1 長沙南站鋼結構工程整體模型效果圖

2 工程特點、難點

(1)長沙南站是“建橋合一”的大型高架站房,在工程施工過程中,受下部地鐵工程的影響,車站大橋不能按期完工。按照早期策劃,利用既有站臺層橋梁搭設作業(yè)棧道的方案指導施工,勢必影響到站房鋼結構開工時間,以致影響到武廣全線的聯(lián)調聯(lián)試。為此鋼結構工程的作業(yè)棧道需進行專項方案設計。

(2)長沙南站鋼結構體量大,構件種類繁多,工期緊張。站房鋼結構主要分布于兩個層面,即屋蓋和屋蓋下方高架層樓面結構。根據現(xiàn)場情況,鋼結構施工時站臺層結構尚未完成,屋面結構有兩種構件(網架、張弦梁)組成,需要綜合考慮多方比較,確定實施方案。

(3)樹狀柱結構是支撐主站房和站臺雨棚屋蓋系統(tǒng)的主承力結構,各桿件間均采用鑄鋼件連接,節(jié)點受力復雜,在使用荷載作用下能否實現(xiàn)荷載的安全傳遞,事關整個站房工程的結構安全(圖2)。

圖2 樹狀柱結構

3 方案確定

(1)作業(yè)棧道的設計基于在施橋梁工程因素及鋼結構安裝的便利,確定采用跨橋搭設方案,在橋梁施工期間就介入鋼結構的安裝,從而保證工期節(jié)點目標的實現(xiàn)。

(2)站臺雨棚由樹狀柱和屋面縱橫鋼架組成,結構相對簡單,所有構件采用 2臺 50 t履帶吊地面吊裝,設臨時支撐,高空拼裝的方案。

(3)站房鋼結構主要包括豎向鋼柱、高架層鋼桁架、高架夾層鋼梁、屋面鋼網架和張弦梁幾部分,而施工重點是站房高架層鋼桁架和屋蓋結構(鋼網架、張弦梁)。通過對整體安裝法、高空滑移法、高空散拼法等幾種方案的比較,結合施工現(xiàn)場橋梁工程在施這一實際情況,確定采用高空單元拼裝方案。

(4)針對樹狀柱節(jié)點受力的復雜性,選取 3個鑄鋼節(jié)點進行足尺試驗,根據檢測數據分析評價其安全性。

4 跨橋棧道設計(圖3)

跨橋棧道通過格構柱支撐路基箱形成,格構柱立于橋梁兩側,格構柱基礎采用樁基、承臺形式,在出站層基礎與底板施工時同步完成。跨橋棧道的整體計算分析采用有限元分析與計算軟件 MIDAS/GEN V7.1.2完成,經過對最不利的荷載工況進行分析,格構柱支撐的位移、強度、剛度和穩(wěn)定性,路基板承受應力和撓度均滿足要求。

圖3 跨橋棧道示意

5 站房高空單元拼裝方案的實施

5.1 設備選型

根據既定方案及現(xiàn)場施工情況,綜合考慮站房結構特點、吊車作業(yè)半徑等因素,選用 2臺 SCX2500型250 t履帶吊車及 2臺 SC1500型 150 t履帶吊車進行站房鋼結構的吊裝。2臺 250t吊車布置于中間棧道,150 t吊車分布于兩側棧道。

5.2 安裝單元的確定

根據鋼桁架構件重采取分段、整榀確定單元;張弦梁每榀作為一個單元;屋面網架根據所選吊車的性能,結合支撐格構柱的分布確定,共劃分為 122個單元,單元最重 35 t,設置支撐點 488處。支撐格構柱坐落在網架下方的站臺層落客平臺及與已安裝完成的高架層鋼桁架上。

5.3 安裝工況

按照由西向東,豎向同步,橫向逐間推進的順序組織安裝,即由下到上完成一個區(qū)間內所有鋼構件以后再向前推進,直到全部鋼構件安裝完成。

安裝工況如圖4所示。

圖4 站房鋼結構安裝工況

6 結構卸荷

結構卸載是將屋面鋼結構從支撐受力狀態(tài)轉換到自由受力狀態(tài)的過程。結構體系轉換卸載具體方法是:通過設置在支架或支撐頂部的可調節(jié)支撐裝置(螺旋式千斤頂),按多次循環(huán)、微量下降的原則,來實現(xiàn)荷載的平穩(wěn)轉移。

6.1 卸載條件

所有構件應全部安裝到位、焊接結束;所有節(jié)點的連接已經完成,外形尺寸經驗收合格;卸載當天的風力不得大于 4級。

6.2 卸載步驟及方法

根據現(xiàn)有的結構卸載、施工液壓油缸操作技術條件與施工仿真計算結果,劃分為三大區(qū)域,采用同區(qū)等距(局部不等距)、分步實施的方法來卸載,共分 35步完成。

根據施工仿真計算結果,選擇采用從中間向兩邊、局部間隔卸載的方法進行拆除支撐工作。卸載工具采用 20 t螺旋式千斤頂,卸載時,應控制卸載速度,規(guī)定每旋轉螺旋式千斤頂半圈(180°)為卸載行程控制單元,每次卸載量控制在 8 mm左右,并應控制其誤差范圍在 1mm以內。

6.3 卸載控制措施

(1)臨時支架拆除過程中由于無法做到絕對同步,支架支撐點卸載先后次序不同,必然造成其軸力增減,應根據設計要求或計算結果,在關鍵支架支撐點部位放置檢測裝置,檢測支架的軸力變化,確保支架拆除安全。

(2)支撐卸載時,頂部承托件應用調節(jié)裝置(千斤頂)進行慢慢釋放,不宜一次性釋放,最少應分 3次進行釋放,且首次釋放時其卸載量不應超過支撐總承載力的 20%。另外,在釋放過程中進行跟蹤測量,隨時了解結構的變形情況。

(3)卸載時,應設置變形觀測點,并根據監(jiān)測的結果與計算值進行對照,及時整理觀測報告。根據監(jiān)測結果,屋面網架全部卸荷完成后最大下?lián)狭?108 mm,在屋面板等荷載全部加載后最大下?lián)狭?138mm,低于設計撓度的 1.15倍,滿足要求。

7 鑄鋼件足尺試驗

7.1 節(jié)點選取和試驗內容

(1)根據鑄鋼節(jié)點受力情況,選取了 3個代表性的鑄件進行試驗,分別是雨棚區(qū)的 D1、D2和站房區(qū)的C1節(jié)點(圖5～圖7)。

(2)通過鑄鋼節(jié)點在 1.3倍的設計荷載作用下各支桿端部的應力及節(jié)點核心區(qū)的應力狀況,檢驗節(jié)點的承載能力。

圖5 C1鑄鋼節(jié)點

圖6 D1鑄鋼節(jié)點

圖7 D2鑄鋼節(jié)點

7.2 試驗準備

(1)試驗反力架(圖8)

試驗反力架采用鋼結構箱梁制成,設計為自平衡體系,為加強桿件的剛度,在桿件連接拐角處均設置了鋼板加腋。經計算,在加載荷載的作用下,反力架的位移值非常微小,可以忽略不計。

圖8 反力架

(2)試驗設備

根據設計院提供的荷載值,C1節(jié)點 4個支桿承受的軸力值的 1.3倍分別是:1號桿3 428.1k N;2號桿4 110.6 kN;3號桿2 412.8 kN;4號桿3 214.9kN。加載設備選用 3臺400 t和 2臺250 t液壓千斤頂,滿足加載要求。試驗所用千斤頂與壓力表均做了精確的標定,荷載同步分級施加。數據采集、記錄和處理設備為1臺 DH3816靜態(tài)數據采集儀、2臺 CM-1 J-32測量系統(tǒng)和 2臺電腦。

7.3 試驗過程

(1)測點布置(以 C1鑄件為例)

節(jié)點試驗內容主要是檢測在加載條件下各支桿端部的應力以及節(jié)點核心區(qū)的應力,分別采用單向和三向應變片進行測試。

單向應變片用以測試節(jié)點各支桿的單向應變。在距鑄鋼節(jié)點支管端部 50mm處沿管徑各布置 4個單向應變片,根部各布置 1個單向應變片。在距主管端部50 mm處沿管徑各布置 4個單向應變片,由于管件截面漸變,在距離第 1排 4個應變片1 000 mm處沿管徑再布置 8個單向應變片,總計 32個單向應變片(圖9～圖11)。

圖9 C1桿件編號

圖10 支管單向應變片(單位:mm)

圖11 主管單向應變片(單位:mm)

三向應變花用以測試鑄鋼節(jié)點核心區(qū)的 3個方向的應變,從而根據理論計算公式推算出應變花所測平面內第一主應力及第二主應力,進而依據第四強度理論,得到該測點的 Mises應力。根據以上原則,在靠近4個支管的交匯核心區(qū),沿每個支管的管徑根部布置 8組應變花,在支管兩兩交匯處,各布置一個應變花,總計 36個應變花(圖12)。

圖12 C1節(jié)點三向應變花布置

(2)試驗加載方案

根據設計院提供的荷載,計算各支管節(jié)點試驗加載力,試驗加載力為設計荷載的 1.3倍。在試驗過程中,采用各桿件同步分級加載制度。本節(jié)點共進行 3次循環(huán)加載,每次加載分為 13級。

7.4 試驗結果整理及分析

(1)根據單向應變片實測數據,鑄鋼節(jié)點 C1支桿1～4號在加載端部的軸向壓應力值隨加載等級的增加呈線性增長的關系。應力最大值在 2號桿的 7號應變片測點,為 62.56 MPa,小于鑄鋼材料的屈服強度值300 MPa,鑄鋼件端部完全處于彈性狀態(tài)。

(2)根據三向應變花實測數據,鑄鋼件 C1核心區(qū)應力狀況滿足承載力要求,折算應力最大值在三向應變花測點 10處,為 111.53 MPa,小于鑄鋼材料的屈服強度值 300 MPa。其中 Mises應力在 3次加載過程中,隨加載基本呈線性變化,說明鑄鋼件應力復雜區(qū)域也處于彈性狀態(tài)。

(3)D1節(jié)點支桿的應力最大值為 72.86 MPa,核心區(qū)最大應力為 74.61 MPa,小于鑄鋼材料的屈服強度值 300 MPa;D2節(jié)點支桿的應力最大值為 52.6 MPa,核心區(qū)最大應力為 107.26 MPa,小于鑄鋼材料的屈服強度值 360 MPa,且節(jié)點都處于彈性受力階段。

8 結語

(1)在車站大橋完工之前,站房鋼結構就開始安裝,為后續(xù)工程的順利開展,為武廣鐵路客運專線全線聯(lián)調聯(lián)試創(chuàng)造了條件。

(2)運用 MIDAS軟件進行施工仿真計算,保證了方案的合理性、科學性。

(3)通過過程工序的控制及結構監(jiān)測,既保證了質量與安全,又印證了施工仿真計算的正確性。

(4)鑄鋼件的試驗數據和有限元分析計算數據相比較,兩者基本吻合或接近,說明鑄鋼節(jié)點的制作受鑄造生產工藝等外部因素的影響較小,采用有限元分析計算結果可靠。證明本工程鑄鋼節(jié)點能夠滿足承載力設計要求,結構安全可靠。

(5)武廣鐵路客運專線長沙南站鋼結構工程進展順利,在計劃時間內封頂。造型優(yōu)美別致,實現(xiàn)了大跨度大空間的設計意圖;豎向同步,橫向逐漸推進,高空單元拼裝方案的實施,對其他工程,特別是大型鐵路高架站房工程施工具有一定的借鑒作用。

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