高鐵站房異形鋼桁架屋蓋曲面累積滑移施工關鍵技術*

姬建華，劉新樂，趙慶國，朱長樂

(中鐵電氣化局集團北京建筑工程有限公司，北京 100039)

1 工程概況

新建宿遷站位于江蘇省宿遷市宿城區，是徐州經宿遷至鹽城鐵路最大的中間車站，為線側下式站房。主站房建筑面積25 500m2，站房主體采用鋼筋混凝土框架結構(1層)+鋼框架結構(2～3層)，主體建筑外墻東西軸線長152.6m，南北軸線長53.55m，最高點距地面34.9m，站房屋面為異形曲面造型，整體呈四坡五脊“廡殿頂”對稱形式(見圖1)。

圖1 新建宿遷高鐵站效果

屋蓋結構形式為空間倒三角鋼桁架結構，由12榀縱向主桁架、75榀次桁架和4榀屋脊桁架組成，主、次桁架間通過焊接連接，上、下弦布置2道圓管及內支撐，整體東西對稱，主桁架間的屋脊桁架由中心向四角放射，屋脊長88m，屋架平面投影尺寸81.5m×178.2m，最高標高34.250m，最低標高21.110m，高差13.14m，主桁架跨度52m，桁架總重約1 600t，支座落于鋼框架結構柱上(見圖2)。

圖2 屋蓋單元構造節點(單位：m)

2 施工難點分析及方案選擇

本工程屋蓋鋼結構整體跨度較大，造型立體多變，空間位置復雜，結構曲線較多，構件數量多，截面變化大，屋蓋高、低點高差大。施工期間，站房北側與之交接的高架橋由市政單位同步施工，橋面邊緣距離站房<15m，南側距離站場垂直擋墻<13m，東側為正在施工的信號樓，僅有西側和東側局部場地可用，施工場地局促(見圖3)。

圖3 施工現場環境

在方案選擇上，分段吊裝因在南、北兩側不具備大型履帶式起重機站位條件，無法滿足需求，且因候車大廳樓板為輕質組合樓板，承載力有限，不具備可實施性；整體頂升和提升需在中間候車大廳區域的地面上進行作業，但無法兼顧四周懸挑區域鋼結構，懸挑構件仍需吊裝，同時考慮鋼結構施工期間給中間區域地面其他工序留出足夠的作業空間，此方法不可行；高空散拼施工因屋蓋造型翹曲復雜，操作平臺上方還需安裝大量輔助拼裝胎架，累積荷載過大，安全風險高，經濟性差，同時搭設拼裝平臺將占滿下部空間，下部作業面同步施工受限，不利于工期進度，因此，本方案同樣不可行。

綜合考慮場地條件、工期計劃、經濟效益等方面，最終選定滑移施工工藝。即屋蓋從中間分開，設東、西2個滑移區，利用東、西兩側場地拼裝構件，吊裝至高空作業平臺分榀組拼后，分別從東、西兩側向中間累積滑移，就位后組拼為整體，還可將懸挑區域桁架同步安裝完畢并滑移就位，基本不占用下部空間。不過受場地局限影響及考慮垂直吊運范圍覆蓋全面，站房區域北側的2號塔式起重機塔身侵占了鋼屋架④～⑤/軸結構位置，滑移時需考慮偏載受力下施加不同頂推力以達到同步控制。

3 關鍵施工技術

3.1 滑移軌道設計

東、西側2個滑移區各設置2條曲率半徑為310.6m、重43kg的弧形型鋼軌，每條長約66m，分別沿南、北兩側的，軸通長對稱布置(見圖4)。為便于在弧形軌道上累積滑移，須整體抬高桁架，在抬高范圍內放置組合滑移梁和滑靴，組合滑移梁設置在既有結構鋼梁上，按軸線分段制造，軌道則通過壓板固定在組合滑移梁上，不同區段滑移梁和滑靴高度之和應相等，以保證軌道上表面和滑靴下表面形成的圓弧接觸面一致(見圖5)。組合滑移梁由焊接工字鋼+墊塊+鋼板組合而成(見圖6)，工字鋼尺寸為300mm×25mm×25mm(高為300mm或400mm或500mm，按實際取最優高度)，鋼板底部鋪設墊塊，通過調節墊塊高度保證鋼板接觸面弧度。

圖4 滑軌布置

圖5 滑軌設計原理示意

圖6 組合滑移梁斷面

為保障滑移軌道下部結構能夠承受滑移荷載，提前請設計單位復核，加大頂層框架鋼梁截面尺寸，每隔500mm焊接20mm厚抗扭加勁板加固，同時在鋼梁底部增設φ351×16圓管八字撐，加固點為鋼梁1/3位置(見圖7)。

圖7 鋼梁加固

3.2 滑靴設計

鋼結構滑移采用滑動式滑移方法，滑靴由型鋼構件經設計計算焊接而成，滑靴頂部預留550mm的空間放置桁架下部底板，四周焊接鋼擋板。滑靴頂部與桁架底板不焊接，便于拆卸。底部設有軌道擋塊，擋塊間距略寬于軌道，以防滑移過程中的側向偏移(見圖8)。

圖8 滑靴示意

因滑移單元體與弧形滑軌的空間形狀不完全一致，為保證單元體順利就位和卸載，設計5種不同類型滑靴，以確保軌道上表面和滑靴下表面形成的圓弧接觸面一致，且使滑移就位后滑靴貼合于所在支座處滑軌表面，避免浮空。對于滑輪設置，②，軸相同，③，⑩軸相同，④，⑨軸相同，⑤，⑧軸相同，⑥，⑦軸相同，①，軸原位拼裝，不設置滑靴。

3.3 滑移單元劃分

根據結構布置及現場施工平面綜合考慮，在屋蓋東、西兩側②，軸以外部位搭設作業平臺，設為原位拼裝區。剩余結構共分為8個獨立滑移單元，每個單元根據滑移先后順序進行編號。中間區域和北側2號塔式起重機影響區域后期原位嵌補(見圖9)。

圖9 滑移單元劃分

3.4 滑移動力設備

本工程每條軌道各配置1臺自鎖式液壓爬行器(水平推力1 000kN)，共4臺配置1臺液壓泵站作為中樞驅動系統，泵站可同時驅動2臺爬行器。鋼結構為頂推式滑移，爬行器一端與滑靴耳板相連，另一端可自動楔緊軌道產生反力以實現推移，無須另設反力架，且與滑移構件剛性連接，同步控制精度高(見圖10)。

圖10 滑移設備

液壓爬行器楔形夾塊具有單向自鎖功能，當油缸伸出時，夾塊自動鎖緊滑移軌道，爬行器推動構件前行；當油缸縮回時，滑移構件不動，爬行器夾塊松開并與油缸同方向通過循環伸縮往復移動，使構件滑移至最終位置。為方便統一指揮高空滑移，控制爬行器驅動泵站布置于站房中部候車大廳層開闊地段，由專人控制，爬行器在行走時，同樣安排專人盯控。

3.5 消除軌道側向力影響

因主桁架造型近似于弓字形，在其自重荷載作用下，桁架兩側與滑移鋼軌接觸面處會產生向外側的水平推力，軌道存在脫軌風險，為有效消除潛在風險，采用6×37鋼絲繩作為“弓弦”鎖住桁架兩端，將其向內收斂拉住(見圖11)。

圖11 鋼絲繩拉住桁架

3.6 同步控制

同步控制系統通過高精度傳感器不斷采集油缸壓力和行程信息及每個頂推點位移信息，在計算機端隨時比較各點測量值誤差與期望誤差的偏差，以調節控制系統。鋼結構滑移時，受2號塔式起重機塔身侵占影響，北側部分鋼構件待滑移完成并拆除塔式起重機后原位嵌補，故滑移時南側軌道承受荷載明顯比北側軌道大，荷載偏心又進一步影響了滑移穩定性，且這種影響突出體現在第1，2單元滑移中，通過控制偏心荷載單元體滑移參數，如頂推力、滑移速度、滑移就位精度等，確保偏載滑移穩定。

本工程安全不同步值取15mm，調節不同步值取10mm。即滑移點不同步值>10mm時，系統暫停，操作人員檢查滑移通道是否存在障礙，明確情況后啟動系統單點單動功能，直至所有頂推點不同步值在10mm以內繼續滑移。實際操作中重點關注不同步值，如發現滑移過程中某點滑移不同步值有偏大趨勢，則調節頂推點滑移速度，以縮小不同步值。即若不同步值<10mm但有增大趨勢，必須通過軟調節泵流量改善不同步狀況；若>10mm，則查明原因后采用單點動作實現控制。

3.7 防溜滑控制

鋼桁架在滑移過程中有下坡和上坡過程，尤其是1，2單元滑移時，弧形軌道上坡度角為6.7°，驗證拼裝時的安全角度為5.7°～11.3°。為防止桁架在上、下坡過程中溜滑失控，安全起見，采用爬行器自鎖和倒鏈2種裝置同時加強約束，防止桁架自動滑行，解決了防溜滑問題。

3.8 實時監控量測

1)選擇17個位移監測點并做標記(見圖12)，使用全站儀監測結構位移，記錄每次測量平面坐標，利用坐標增量判定結構是否移位變形。

圖12 位移監測點布置

2)在桁架結構總拼裝及屋面工程完成后，分別測量桁架撓度變化，測量點在主拱水平桁架下弦中央，桁架滑移前，在各撓度監測點上粘貼反射貼片，待滑移完成后，架設全站儀觀測。

3)為確保滑移過程中能了解各構件實時應力變化情況，施工中在滑移軌道、底板鋼梁、圓管八字撐等部位安裝應力及應變傳感器，對現場滑移過程應力、應變進行監測，確保滑移穩定安全(見圖13)。

圖13 應力、應變傳感器安裝

4 施工工藝

運用Tekla軟件對整個桁架結構進行三維建模，確立地面拼裝三維坐標，在東、西兩側硬化地面上搭設拼裝胎架后拼裝構件，搭設高空支撐胎架，將地面拼裝單元提升至高空胎架組拼后進行高空累積滑移，各單元均滑移就位后卸載胎架，最后局部構件原位拼裝、嵌補，完成安裝。

1)地面拼裝胎架應具備一定的靈活性以便控制精度，胎架立柱支撐設置在主弦桿對接處、弦桿折彎處、弦桿兩端所在位置。為使拼裝胎架具備較好的穩定性，構件現場拼裝過程中，相鄰胎架通過拉桿連成整體，保證在使用過程中不會發生失穩傾翻。

2)根據屋蓋桁架結構特點，第1，2榀滑移桁架和原位拼裝桁架在高空組拼時需設置臨時支撐胎架，胎架底部直接坐落于下部樓面及基礎上，胎架頂部設置定位和校正裝置。

3)高空累積滑移共分5個階段，每個階段的滑移單元在正式滑移前均須試滑移。第1階段是從東、西兩側向中間滑移高空組拼完成的第1(⑤～⑥軸)和第5滑移單元(⑦～⑧軸)桁架，滑移1個單元位置，為第2階段桁架留出高空組拼位置，滑移前須拆除②～③軸，⑩～軸胎架，以免影響滑移。第2階段為在地面拼裝第2(④～⑤軸)和第6滑移單元(⑧～⑨軸)主、次桁架，分別吊運至拼裝平臺組拼，因2個滑移單元結構造型不同，滑移完1個單元后需調整胎架。桁架組拼完成后再與前一個滑移單元組拼在一起，整體向中間累積滑移1個單元。滑移第3～5階段操作方法同第2階段，但無須再布置支撐胎架，分別將8個滑移單元逐步組拼滑移就位即可。

圖14 卸載點平面布置

5)安裝原位拼裝區和嵌補區桁架。安裝東、西懸挑端桁架，嵌補⑥～⑦軸桁架，拆除④～⑥/軸北桁架。

5 結語

該工程從開始滑移到全部完成東、西兩側8次滑移，共用時21d，每次滑移用時不到3d，平均速率為3m/h。實踐證明，采用本累積滑移方法，通過科學設計滑軌，合理劃分滑移單元、安排安裝工序，有效提高了施工效率。