大型桁架鋼屋蓋整體提升施工技術

蔣亞銘

(中鐵建設集團有限公司 北京 100040)

1 工程概況

星火站站房總建筑面積18.23 萬m2，鋼結構用量約13 000 t。 桁架鋼屋蓋采用古典京城宮殿建筑形式特征，為組合式桁架結構體系，每個組合桁架沿中軸線對稱分布，中部屋蓋組合桁架中間高聳兩邊上翹，東西兩側屋蓋組合桁架上部為一平面，組合桁架內部包含縱橫向單片魚腹式管桁架，兩邊為變截面焊接箱型鋼梁。 通過在中間設置的斜向V 型斜柱、兩側的直管柱作為支撐，將橫向跨度為180 m 的桁架分為18 m ＋36 m ＋72 m ＋36 m ＋18 m 五部分，端部18 m 為懸挑桁架。 站房屋蓋最大投影長度247 m，寬度180 m，其中中央站房區(qū)長度為196 m，西站房長51 m。 材質主要為Q345C、Q345GJC，典型節(jié)點形式包括柱底支座節(jié)點、V 型柱鑄鋼節(jié)點、鋼柱與上部屋蓋桁架連接節(jié)點管桁架相貫節(jié)點等。 鋼結構屋蓋剖面圖見圖1，軸視圖見圖2。

圖1 屋蓋桁架剖面示意

圖2 鋼結構整體軸側示意

2 鋼屋蓋總體安裝方案

星火站屋蓋鋼結構位于9.8 m 高架層以上，在鋼桁架屋蓋下方，中央站房及西站房II-B ～II ～E 軸間北側為鋼結構夾層，南側為兩層混凝土層夾層，西站房II-B ～II ～E 位置主要為三層混凝土夾層。

根據鋼桁架屋蓋鋼結構的特點、土建施工順序及工期要求，屋蓋鋼桁架分四個區(qū)進行施工。 根據本工程結構特點、土建施工順序、以往類似工程經驗[1]，一、二、四區(qū)南側夾層混凝土結構甩下后做，采用分區(qū)整體提升法的方法安裝鋼桁架[2]；三區(qū)鋼結構因夾層結構較多，將在夾層混凝土結構施工完成后再采取整體滑移方法施工[3]。

3 鋼屋蓋安裝與提升

3.1 起重設備行走承載力驗算

鋼桁架拼裝單元最大重量控制在10 t，選用50 t汽車吊能滿足構件的吊裝需求，汽車吊要在高架層樓面上行走和起吊，為保證結構安全，需對樓板的承載力及結構裂縫進行驗算。

本工程采用QUY50 吊車，重量42 t，其中1、2 軸負荷16 t，3、4 軸負荷26 t。 高架層梁板砼等級為C40，板厚150 mm，配筋為HRB400，雙層雙向布置間距150 mm。利用MIDAS Civil 軟件計算[4]，50 t 汽車吊行走時，在基本組合下，樓板的最大彎矩為28.1 kN·m；在標準組合下，樓板的最大彎矩為20.5 kN·m。

根據《混凝土結構設計規(guī)范》對抗彎承載力、鋼筋應力、最大裂縫寬度進行計算[5]，均能滿足規(guī)范及設計要求。

抗彎承載力為：

樓板所使用鋼筋的應力為：

最大裂縫寬度為：

通過計算結果可知，50 t 汽車吊在高架層板上行走時，樓板抗彎強度和裂縫等指標滿足規(guī)范及設計要求，不需要進行加固。 起吊時汽車吊支腿支設在混凝土結構梁上，結構梁上部鋪設路基箱，從而實現鋼構件的吊裝。

3.2 總拼胎架設置

總拼胎架地梁采用H400×200×10 型鋼，立桿采用H294×200×10 型鋼，胎架連梁為 16 型鋼。 胎架立管間用∠75×75×5 角鋼做斜撐及操作平臺，作為操作平臺的角鋼跨度不得大于3 m，對于大于3 m 處的角鋼需要在跨中增加立管。 操作平臺上鋪鋼跳板。

經驗算，鋼結構屋蓋在拼裝時，結構最大豎向變形5 mm，最大應力為199 MPa ＜305 MPa，總拼胎架結構滿足承載力要求。

3.3 提升點及提升架設置

根據屋蓋荷載傳遞路線，盡可能利用原支承結構作為提升吊點，或在原支撐結構附近設置提升支架；布設的提升點應滿足桁架變形和應力在相關規(guī)范可控范圍[6]。

本工程一、二、四區(qū)第一次小提升共設置20 個提升點，均采用格構式支架作為提升架；第二次整體提升共設置提升架66 個提升點，其中24 個利用既有工程圓管柱提升(見圖3)，42 個采用格構式提升架提升(見圖4)。

本文采用Midas/Gen 軟件對每個分區(qū)單元進行施工過程分析[7-8]，提升點反力1 360 kN，桁架最大變形為77 mm(見圖5)，提升支架最大變形為30 mm。該工況下結構強度和剛度均滿足要求。

圖3 既有工程圓管柱提升架

圖4 格構式支架提升架

圖5 桁架最大變形

3.4 提升時桁架局部加固及防偏心受力措施

屋蓋桁架提升點為正交桁架交匯點，提升時盡量少斷開原有結構。 由于桁架為倒放三角截面，提升時需要將弦桿斷開，為保證結構連續(xù)和完整性，使各桿件能滿足提升工況設計要求，需對原結構進行加固(見圖3)。

由于鋼桁架采用分區(qū)吊裝，利用既有工程的鋼柱作為提升架，為避免東西兩側鋼管柱偏心受力，采取在鋼柱側面預埋埋件，加設提升器，防止鋼柱偏心受力，保證整體提升時整體桁架的平衡與穩(wěn)定。

3.5 整體提升

本工程采用“液壓同步提升技術”[9]進行屋蓋的分段同步提升。 整體提升系統(tǒng)配置計算機控制液壓同步提升，系統(tǒng)由鋼絞線及提升油缸集群(承重部件)、液壓泵站(驅動部件)、傳感檢測及計算機控制(控制部件)和遠程監(jiān)視系統(tǒng)等幾個部分組成。本工程選用TX-80-P 型液壓泵站，每6 個相鄰提升點配置1 臺液壓泵站，提升油缸的規(guī)格為100 t 和200 t 級別。 各個部位的安裝工作，首先要進行計算機模擬，只有結構受力及變形符合要求的情況下，才能進行施工[10]。

鋼桁架屋蓋分為四個分區(qū)，一、二、四區(qū)分別采取整體提升方案。 首先在樓板上完成胎架及屋蓋鋼結構的拼裝，然后提升中部高聳部位，再與兩側鋼結構屋蓋連成整體，最終將屋蓋提升至結構標高部位(見圖6)。

圖6 屋蓋分段提升

3.6 分級卸載就位及變形觀測點設置

鋼結構屋蓋提升至設計標高后，首先要在空中懸停，拆除臨時加固桿件并安裝補充桿件，使整個屋蓋成為穩(wěn)定整體結構，然后進行臨時支撐以及提升設備的拆除，使鋼結構屋蓋直接坐落于鋼結構支座上，最后進行卸載。 卸載的過程將會引起桿件的內力變化，并產生一定的變形，若局部桿件變形過大，將影響結構的安全。 因此，卸載過程應經過有限元分析，其屋蓋各桿件的應力、應變必須滿足規(guī)范要求[11]。

3.6.1 分級卸載

屋面提升就位后，弦桿對接完畢，腹桿補裝完畢，并且焊接探傷完畢，開始準備卸載[12]。

卸載采用提升器分級下降卸載，卸載共分5 級，依次為20%、40%、60%、80%，在確認各部分無異常情況下，可繼續(xù)卸載至100%，直至提升器鋼絞線松弛，不再受力。 屋蓋桁架結構自重荷載完全轉移到柱頂支座上，結構受力形式轉化為設計工況。

3.6.2 變形觀測點設置

為了保證安全有序的進行，在卸載過程中需要對結構進行變形觀測；在屋蓋上弦共設置28 個觀測點，觀測點的具體做法是根據選定的觀測點位置，貼上反射測量貼片。 在卸載前、卸載后聯合業(yè)主、監(jiān)理、監(jiān)控等單位對擬定的變形監(jiān)測點進行觀測并記錄觀測數據。

4 結束語

經過本工程實踐，并結合有限元計算軟件的計算分析和提升過程的數據監(jiān)測，大型桁架鋼屋蓋整體提升技術可以快速、經濟、高效地完成大型站房工程屋面鋼屋架的安裝施工，且支架、提升吊點安全穩(wěn)定，屋蓋變形數據符合規(guī)范規(guī)定要求，可為類似工程施工提供良好借鑒。