大型傘狀懸臂式鋼桁架屋蓋分段施工關鍵技術

劉新樂 姬建華 王靜波

中鐵電氣化局集團北京建筑工程有限公司 北京 100039

大跨度空間鋼結構在公共建筑領域的應用越來越廣泛。目前國內的鐵路一等站基本上均采用大跨度鋼結構屋蓋，其結構形式隨地方文化特色、經濟發展水平和建筑設計理念的不同呈現出不同的風格。鋼結構施工過程中的工況與正常使用階段會有所不同，保證施工階段中的主體結構、臨時支撐結構和吊裝設備的穩定可靠是設計與施工需要重點考慮的問題。隨著工程機械設備的不斷更新，鋼結構施工可選的工藝方法也更加多樣化。多種工藝配套結合是大型鋼結構施工方法的一大趨勢，其既可以通過分段采用不同的安裝方法科學地調整空間作業面，優化與其他工序的交叉作業以提高施工效率，又可因地制宜，降低施工安全風險，節約作業成本。通過合理劃分區段、分塊安裝，最終卸載合攏，實現施工階段到正常使用階段的平穩過渡，確保工程的質量[1-3]。

1 工程概況

新建廣州北站位于廣州市花都區新華街，東側緊鄰運營中的武廣客專線路，車站采用“高架候車＋線側站房”的布局方式以及上進下出的旅客流線模式，車站地上2層為高架候車層和站臺層，地下1層為出站層。平面尺寸約為186 m×142 m（圖1）。

圖1 新建廣州北站效果圖

車站鋼屋蓋采用主次平面桁架結構形式，結構高度33.5 m，最大跨度51 m，最大懸挑長度22.5 m。傘狀結構單元上部包括H型主桁架與圓管網架，通過4根傘狀分叉柱與鑄鋼件連接，鑄鋼件下部由錐形鋼管混凝土柱作為支撐，支撐柱采用變截面鋼管混凝土柱，柱腳為埋入式（圖2）。

2 施工難點及方案選擇

本工程鋼結構跨度大，構件自重大、數量多、空間位置復雜，現場作業空間有限，施工安全風險極高。西側架立3座結構施工用的塔吊；東側緊鄰既有的武廣客專線路，施工期間高鐵動車組正常通行，為保障高鐵線路運營安全，無法使用塔吊、履帶吊等大型吊裝設備全時段高空吊裝；中間區域為站房主體候車大廳層，只能采用塔吊進行高空原位吊裝。

圖2 屋蓋單元構造節點

為保證施工按期完成，給地面其他工序留出足夠的作業空間，同時確保施工過程的安全穩定，防止影響東側武廣客專線路正常運行，考慮場地條件和周邊環境，將整個屋蓋分為3塊區域分別施工。鋼屋蓋施工前，3塊區域的下部鋼管混凝土柱均已施工完畢（圖3）。

圖3 施工分區平面

1區和3區采用地面拼裝、整體提升的方式進行施工，東側的3區鄰近運營中的武廣客專，地下為后續將新建的鐵路站臺、軌行區和一部分候車層（待鋼結構吊裝就位合攏、臨時支撐拆除后補施）；西側的1區鋼屋蓋覆蓋了部分站前廣場，受中間部位塔吊影響，分為南北2片區域，分別進行整體提升后合攏；中間的2區覆蓋了車站候車大廳，采用TC7052塔吊原位高空散裝，輔以25 t汽車吊站位在候車層樓板配合吊裝。總的施工順序為先整體提升1-2區和1-1區屋蓋，為3區屋蓋提升積累經驗和提升參數，確保3區鄰近武廣高鐵提升作業的絕對安全。1區提升完畢后進行3區提升，2區的高空散拼與1區、3區整體吊裝作業同步實施，最終3個段合攏形成整體后，卸載1區和3區提升力。

3 關鍵施工技術

3.1 提升吊點設置

提升點布設應綜合考慮提升過程中提升結構的內力分布、變形大小和空間干擾情況，需保證架體在提升過程中受力均勻、變形可控及整體穩定。

本站房鋼屋蓋結構本身對稱分布，從單元屋蓋結構特征來看，最佳的吊點選取位置即單元屋蓋4組主桁架的幾何中心點，可保證受力均勻對稱，變形最小，又為后續補裝樹杈柱提供便利，同時節省臨時支撐用量，節約施工 成本。

以3區4個單元屋架整體提升為例，提升區域尺寸為186 m×45 m，質量約1 450 t，共設置4組提升架，每組提升架由4組格構式標準胎架組合而成。標準胎架之間通過連系桿連接成整體，并與已經施工完成的鋼管混凝土柱連結（圖4），確保胎架穩定。每個胎架設1個提升點，即1組提升架設4個提升點（圖5），共16個吊點，4個一組，一字排開，對稱分布。選用YS-SJ-180型穿芯式液壓提升器，將單根直徑17.80 mm的柔性鋼絞線作為承重索具，提升器額定提升能力為1 800 kN。經計算，其中提升點308和310反力最大，為1 285 kN，提升能力滿足要求，受力狀態合理。

圖5 整體提升吊點布置

圖4 提升架構造方式

3.2 提升支撐架設計

格構式胎架由多個標準節組成，標準節高度為4 m，截面尺寸為2 m×2 m；每個標準節由4根主桿及12根連系桿組成，胎架高度為37 m，承載能力為3 300 kN。

3區提升架底部為回填土，需設置混凝土承臺（圖6），承臺尺寸為4 m（長）×4 m（寬）×0.5 m（高）。 1區提升架底部為站前廣場地下室頂板，為避免荷載直接傳遞到樓板上，需在底部設置截面為488 mm×300 mm× 11 mm×18 mm的H型鋼分配梁，將支撐架荷載傳遞至結構梁處，并在結構梁下設置回頂支撐。

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，焊縫選用熔透焊縫，焊縫等級為一級；加勁板和墊板與桿件采用角焊縫圍焊連接，焊腳尺寸為14 mm。

3.3 提升下吊點設計

提升下吊點通過專用吊具與主桁架上弦桿焊接，在上弦桿處設置節點板加強，以滿足提升要求（圖7）。節點板和專用吊具材質均為Q345B。

圖6 混凝土承臺示意

圖7 下吊點

3.4 主體結構提升點區域桿件加強

由于提升下吊點處桁架局部受力過大，故需加大部分桿件截面以滿足受力要求，桁架部分腹桿截面由HW300 mm×300 mm×10 mm×15 mm調整為HW300 mm× 300 mm×10 mm×25 mm（圖8）。1區提升方法與3區相同，區別之處在于1區分為南北2片分別整體提升，單次提升質量約715 t。支撐胎架在1區和3區之間周轉使用，有效控制了施工成本。

(8)Thursday’s declaration after their summit in the Chinese resort of Sanya affirms that China,India,Brazil,Russia and news member South Africa will take the lea in the development of humanity.

圖8 局部腹桿加強

3.5 提升原理及施工過程

多個液壓同步提升器由同一套計算機控制系統同時操控，確保被提升結構單元的各點同步上升，提升過程中不斷糾偏，達到結構同步提升。

屋架整體提升施工可分為6個步驟：

1）提升架及提升設備定位安裝。提升架基礎混凝土強度達到要求后，即可安裝提升支撐胎架及提升平臺，4個標準格構式胎架通過標準連系桁架相連，并與鋼管混凝土柱采用φ219 mm×10 mm連系拉桿連結，形成整體后安裝液壓同步提升系統設備，包括液壓泵源系統、提升器、傳感器等。

2）提升單元地面拼裝。在屋面結構投影正下方拼裝被提升單元，提升單元拼裝完成后設置結構下吊點，并在提升上下吊點之間安裝專用鋼絞線。

3）結構試提升。調試液壓同步提升系統無誤后，按照設計荷載的20%、40%、60%、70%、80%、90%、95%、100%的順序逐級加載。每一步分級加載完畢后暫停并及時檢查吊點結構、提升單元等前后變形及主體穩定性情況，直至提升單元脫離拼裝平臺。提升單元離地約150 mm后暫停提升。微調提升單元各個吊點的標高，使其處于水平，靜置12 h。全面檢查吊點結構、承重體系和提升設備等，確保無異常。

4）結構正式提升。檢查鋼結構提升單元以及液壓同步提升臨時措施無異常后進行正式提升階段。3區考慮鄰近運營中的武廣客專，需與鐵路運營單位協商。經多方檢查無誤，取得施工天窗時間（一般在晚上，列車暫不通行時間段內）后開始正式提升。提升過程需緩慢進行，速度控制為5 m/h，提升高度為30 m。在提升過程中采用全站儀對提升單元上的測量觀測點進行監控，確保結構整體安全平穩提升。提升至距離設計標高約200 mm時，暫停提升，微調各吊點，使結構精確提升至設計位置。

5）嵌補構件安裝。結構提升至設計標高后，對后裝桿件的對接口進行復測，確認無誤后，使用汽車吊將樹杈柱吊至嵌補位置進行安裝，使提升單元結構形成整體穩定受力體系。

3.6 吊裝區鋼結構施工

2區鋼屋蓋高空散拼作業包括樹杈柱和上部鋼屋蓋安裝兩大部分，除1、3區整體提升階段需要暫時停歇外，其余時間段不受1、3區作業影響，可同步展開作業。

樹杈柱質量較輕，鑄鋼件安裝完成后，采用塔吊對樹杈柱進行吊裝。由于樹杈柱截面尺寸小且向外懸挑長度達8 m以上，故須在樹杈柱下部設置臨時支撐，待樹杈柱頂部連系桁架安裝完畢后，再將臨時支撐拆除（圖9）。

樹杈柱頂部桁架安裝完成后開始大面積安裝屋蓋結構，屋蓋結構先安裝懸挑主桁架、屋脊桁架，并及時用橫向次桁架固定，保證側向及整體穩定性，再逐步向外擴散安裝其余次桁架固定，直至完成。

圖9 樹杈柱頂部連系桁架吊裝

吊裝區屋蓋桁架分段后最大質量為8.35 t，位于TC7052塔吊40 m吊裝半徑內，此范圍塔吊可起吊質量為10.30 t，滿足起重工況要求。吊裝區最遠端構件質量7.43 t，位于TC7052塔吊50 m吊裝半徑范圍內，此范圍塔吊可起吊質量為7.90 t，同樣滿足起重工況要求。

3.7 鋼屋蓋合攏

2區懸挑主桁架安裝后及時與1、3區提升結構直接連接。焊接前對構件標高及對接口坐標進行復核，復核無誤后用臨時連接板（馬板）固定。合攏時間應為日溫差變化最小時段。南北方向主桁架兩端同時吊裝，并根據施工模擬結果對接口處進行預起拱處理，減小錯邊誤差，確保合攏精度。

圓管次桁架采用地面拼裝、分片吊裝，吊裝順序為由中間往懸挑端進行。吊裝區安裝完成形成整體后進行卸載，卸載方式采取同步分級卸載。

4 整體提升仿真計算分析

采用Midas軟件對整個提升過程進行仿真計算分析，根據施工方法、荷載和邊界條件，選取提升階段的關鍵施工過程作為計算工況，計算模型如圖10所示。仿真分析用以驗證整體提升過程中桁架的應力水平、變形分布情況及提升器吊點反力，確保提升施工的安全性，并為提升過程中的監控監測提供理論依據。

圖10 仿真分析模型

4.1 提升階段分析

在主體結構提升過程中，結構應力分布和變形分布情況分別如圖11、圖12所示。提升時結構最大應力比為0.86，小于1.0，結構跨中最大豎向變形為45 mm，與提升點距離約為39 000 mm，為跨度的1/867，小于1/400，桁架結構體系的強度、剛度均滿足施工要求。

圖11 提升過程結構應力分布

4.2 提升架應力分析

結構提升過程中支撐胎架的應力分布和變形分布情況分別如圖13、圖14所示。提升時，圖中桿件的最大應力比為0.70，小于1.0，支架頂部最大水平變形為78 mm，架體高度約為37 000 mm，變形為高度的1/474，小于1/200，滿足施工要求。

圖13 支撐胎架應力分布

圖14 支撐胎架水平位移分布

5 結語

本文提供了一種場地條件有限、周邊環境復雜的大型鋼桁架結構屋架的分段施工方法，重點針對鋼桁架整體提升的設計、施工及高空拼裝合攏進行介紹，并對整體提升進行仿真計算分析，確保提升過程中主體結構及提升設備處于安全狀態。實際施工情況表明，分段采用整體提升和高空拼裝2種工藝相結合的鋼結構安裝方法，施工工序安排合理，有效提高了施工效率，確保了施工過程安全可控和施工質量可靠，順利完成了施工。