濟南西客站大型屋蓋滑移控制技術分析

王培森，路鵬

（山東建筑大學土木工程學院，濟南250101）

1 引言

近年來，隨著預應力技術的發展，建筑對大空間的需求，大跨度鋼桁架、網架等鋼結構的應用越來越廣泛。本文以濟南西客站站房鋼桁架屋頂滑移法施工為研究對象，利用有限元軟件ANSYS 對張拉對象建模，模擬預應力加載過程，得到各控制點在張拉過程中的變形量。利用數值模擬分析結果控制張拉過程，保證張拉質量，同時確保張拉過程順利進行，給大型屋蓋滑移施工過程提供依據[1]。

2 屋蓋滑移方案

2.1 工程概況

濟南西客站是京滬高速鐵路5 個始發終點站之一。車站中心里程DIK419+415，站房位于線路左側，面向城市。車站橫列式布局，設8 臺15 線（不含2 條高速正線）。到發線有效長度滿足650m。濟南西客站預計2020 年發送旅客2151 萬人/a，2030 年發送2807 萬人/a。

新建站房最高聚集人數4000 人，總建筑面積99786m2，無站臺雨棚65326m2。

濟南西客站Ⅱ區高架候車廳鋼結構屋蓋分為A、B、C 3 個區，如圖1、圖2 所示。

圖1 屋蓋結構分區圖

圖2 屋蓋結構三維軸測圖

A 區的寬度116.4m，長度99m；B 區寬度116.4m，長度77.5m，C 區寬度107m，長度25m。其中，A 區和B 區結構間有300mm 的間隙。鋼結構屋蓋型鋼梁及斜撐等附屬桿件多采用螺栓連接，而其中主桁架及型鋼梁、弧型梁等桿件均為弧形，加工、安裝難度較大。屋蓋鋼結構總質量約3000t，鋼材材質均為Q345B。

2.2 液壓滑移原理

“液壓同步滑移技術”的滑移驅動設備為組合式結構，中間利用液壓油缸驅動爬行，一端以鉸接連接滑移胎架或構件，一端以楔形夾塊與滑移軌道連接。滑移過程如下：安裝連接完畢后，爬行器液壓缸伸缸推動滑移，一個行程滑移300mm；伸缸行程完畢后，縮缸，松開楔塊與滑移軌道，拖動夾緊裝置向前滑移；縮缸完畢，繼續拖動夾緊裝置向前滑移，一個行程300mm。如此循環往復，使構件滑移至最終位置[2]。

2.3 滑移平面布置

限于現場條件，為保證施工安全，待土建完成高架候車廳樓層混凝土施工，養護至設計強度后，下部結構已形成整體，此時針對鋼結構屋蓋施工采用整體累計滑移技術。在西側Ⅱ-L 和Ⅱ-N 間搭設高空操作平臺，安裝方式為地面拼裝、整體吊裝、高空補檔。屋蓋主、次桁架拼裝完成后，分4 段吊裝主桁架，整體吊裝次桁架。主次桁架安裝就位后，連接型梁、檁條等構件，達到滑移條件。

滑移過程中高架層至屋蓋的鋼柱，柱長約13.9m，于鋼柱間加設連桿傳遞爬行器推力，以增加滑移單位的整體穩定性，減小變形量。

2.4 滑移安裝流程

高架候車廳屋蓋鋼結構安裝流程如圖3 所示。

圖3 屋蓋鋼結構安裝流程

3 數值模擬計算

為保證滑移施工過程中結構安裝，特采用大型有限元分析程序ANSYS10.0 對屋面結構滑移施工進行計算分析。根據施工方案，本方案采用累積滑移，共有9 組滑移單元。

3.1 計算參數

結構中的Q345B 鋼材材料參數如下：

彈性模量：E=2.06×105MPa；泊松比：γ=0.3；密度：ρ=7.85×103kg/m3；線膨脹系數：α=1.2×10-5℃-1；屈服強度：fy=345MPa；強度設計值：f=fy/1.15=300MPa。

根據施工方案，累積滑移整體屋面結構的有限元計算模型如圖4 所示，主體結構的桿件單元采用beam188 梁單元，加固桿件采用link8 單元。

圖4 構件應力分布圖（單位：MPa）

荷載：滑移過程中不考慮風荷載及地震作用，將自重放大1.35 倍。

約束：結構在滑移行進過程中僅受到軌道豎直方向的約束，因此于柱腳施加Z向約束，X、Y方向釋放約束[3]。

3.2 計算分析

對各滑移單元進行施工狀態計算分析：取滑移單元一為C 區部分的滑移。

可以看出，Z向位移最大值位于桁架跨中處，為38.28mm＜59000/400=147mm，結構最大應力為79.45＜[f]=95MPa, 滿足GB 50017—2017《鋼結構設計規范》要求。

同理可以求出其余8 個單元構件最大應力，均滿足GB 50017—2017《鋼結構設計規范》要求。

3.3 特殊工況分析

為確保滑移安全，利用ANSYS 軟件分析計算可能出現的特殊工況：

1）軌道表面平整度偏差為20mm 時，對屋蓋的內力及變形進行分析；

2）出現滑移不同步現象且不同步值達到30mm 時，對屋蓋的內力及變形進行分析；

3）頂推鋼柱過程中偏心值達到20mm 時，對結構進行內力及變形分析。

分析結果顯示，結構最大應力值為62N/mm2，最大變形值為45mm，均在規范許可范圍內。

3.4 卸載過程計算分析

與滑移過程不同，卸載過程中存在鋼柱的標高不一致的情況，其中，中間軌道鋼柱最大落差為40mm，兩側軌道鋼柱最大落差為20mm。現分析結構受力是否滿足設計要求。

由圖5 可以看出，卸載過程中結構產生的最大下撓值為119mm，119mm＜59000/400=147mm；結構最大應力為95.2MPa＜[f]=295MPa，均滿足規范要求。

3.5 結論

從屋面結構滑移施工計算結果得出如下結論：

1）滑移過程中，Z向位移最大值位于桁架跨中處，是標準值1/5～1/4,結構最大應力是標準值1/5～1/4，均滿足GB 50017—2017《鋼結構設計規范》要求；

圖5 桿件應力比云圖

2）在施工過程中，增加臨時措施，最終滑移結構最大豎向撓度為54mm，滿足規范要求；

3）滑移過程中，各累積滑移單元的結構構件內力最大為62N/mm2，保證結構處于彈性受力狀態；

4）對滑移細微不同步、軌道不平整等特殊工況進行分析，不會導致結構產生破壞；

5）依據支座的最大豎向反力標準值1598.6kN 對滑移支撐架和型梁進行設計；

6）卸載過程中的結構最大應力和最大下撓值均滿足規范要求[4]。

4 結語

本工程大跨度鋼結構屋蓋施工，共分9 個高空作業單元進行拼裝滑移，歷時近40d，未出現異常情況，支撐體系的整體性、穩定性、剛度、強度均保持良好。它不但保證了工期及整體效益，也對大跨度鋼結構支撐體系安全提供了寶貴的施工經驗。應用有限元分析屋蓋滑移施工過程，控制控制點在張拉中的變形量，對張拉進行控制，保證張拉過程的順利進行，無需大量拼裝胎架，只需較少數量的拼裝胎架即可，節省材料費用；對起重設備性能要求相對較低，起重設備投入相對較少，吊裝工作程序簡單；適合建筑物縱向長距離施工，施工順序較為合理，不會引起工期的拖延。該工程的順利進行為大跨度鋼結構屋蓋滑移施工提供了工程和理論依據。