杭州西站站房鋼結構屋蓋施工技術

張翔宇，崔 強，朱文康，朱樹成，桂 斌

(江蘇滬寧鋼機股份有限公司，江蘇 宜興 214231)

1 工程概況

杭州西站主要包括站房區(qū)、雨棚區(qū)及連接附屬結構，其中站房區(qū)鋼結構主要包括候車層鋼骨梁柱、夾層鋼結構及鋼結構屋蓋等部分。站房主體結構為鋼筋混凝土框架體系，其中鋼結構屋蓋采用正放四角錐網架+正交正放桁架組成大跨度空間結構體系。

站房屋蓋平面尺寸為325.7m×245m，最大跨度為78m，屋蓋主體結構采用梭形鋼管柱作為支撐體系，鋼管柱材質為Q345，Q420，采光頂區(qū)域采用正交雙向平面桁架，有吊頂區(qū)域采用斜放四角錐網架，采光頂桁架延伸至支撐柱頭，形成網架內“暗桁架”連接，屋蓋網架中心豎直方向具有弧度，呈拱起狀，屋蓋最大標高55.237m，最小標高37.070m，相對高差最大達18.167m。網架結構區(qū)桿件均為圓鋼管，桁架結構區(qū)弦桿主要使用矩形管及少量圓鋼管，材質均為Q355B，杭州西站站房整體結構如圖1所示。

圖1 杭州西站整體結構

2 鋼結構屋蓋安裝方案

鋼結構施工部分為南區(qū)屋蓋，平面投影尺寸為159m×245m，綜合考慮屋蓋結構特點及機械安裝便利性，為降低施工難度，提高施工精度、安全性及經濟性，鋼結構屋蓋采用樓面拼裝+分區(qū)旋轉+合龍整體提升的方法安裝，屋蓋南側懸挑網架結構采用吊裝方法安裝。

2.1 提升區(qū)劃分

根據鋼屋蓋結構特點，將屋蓋分成3個提升區(qū)，首先使用25t汽車式起重機在候車層進行拼裝作業(yè)，為降低拼裝成本，將各分區(qū)屋蓋進行旋轉合龍。屋蓋施工分區(qū)劃分如圖2所示。

圖2 屋蓋施工分區(qū)劃分

2.2 提升方案

安裝工作需混凝土樓面提供作業(yè)面，以供拼裝作業(yè)使用，故結合土建結構作業(yè)面交接順序，提升順序為：提升1區(qū)旋轉定位→提升2，3區(qū)旋轉定位→各分區(qū)合龍后整體提升至標高。

由于屋蓋中間部分拱起、四角降低的特殊造型，為保證施工安全，降低拼裝高度，保證施工可操作性，先將提升1區(qū)繞軸1—1逆時針旋轉3°(見圖3)，繼而在混凝土樓面板進行拼裝工作。待拼裝完成，先整體提升0.5m，軸部分結構保持不動，其他部分提升點分步提升，最后提升1區(qū)屋蓋旋轉至原設計角度(見圖4)。

圖3 提升1區(qū)旋轉軸示意

圖4 提升1區(qū)旋轉示意

與提升1區(qū)類似，將提升2區(qū)(3區(qū))通過旋轉、拼裝、分步提升的方法安裝到位。首先，繞1—1，2—2軸分別逆時針旋轉3.08°和順時針旋轉2.37°(見圖5)；其次，在高架層混凝土樓面拼裝；繼而整體提升0.5m，軸與⑨軸相交處結構保持不動，其他部分提升點分步提升；最后提升2區(qū)(3區(qū))屋蓋旋轉至原設計角度(見圖6)。

圖5 提升2區(qū)(3區(qū))旋轉軸示意

圖6 提升2區(qū)(3區(qū))旋轉示意

當提升分區(qū)旋轉至設計角度后，提升1區(qū)繼續(xù)提升，直至達到與2，3區(qū)的對接標高，安裝嵌補桿件，進行分區(qū)合龍工作，最后3區(qū)整體提升10.625m達到設計標高，鋼結構屋蓋提升區(qū)作業(yè)最終完成。提升各階段分區(qū)立面如圖7所示。

圖7 提升各階段分區(qū)立面

2.3 提升架布置與設計

為實現鋼結構屋蓋不同施工節(jié)段的提升工作，共布置4種提升點、54個提升位置，其中提升點類型1共34個、類型2共6個、類型3共10個、類型4共4個。

鋼結構屋蓋在提升作業(yè)的各階段，提升架受構件自重影響產生巨大反力。通常結合結構特點及提升點位置，將提升架與結構柱相連，便于將反力傳遞給結構柱，進而抵抗提升反力。提升架間通過圓管相連，以提高提升架整體穩(wěn)定性，提升架頂部設置轉換梁，轉換梁上部設有提升梁，在提升過程中，結構產生的自重荷載由鋼絞線傳遞至提升梁，再傳遞至轉換梁，最后傳遞至底部支撐結構。

提升點類型1，2即采用主體結構本身鋼柱作為提升架的支撐結構。而提升點類型3，4則采用設置立管支撐方式實現荷載傳遞，立管采用φ609×8，φ800×10圓鋼管。提升架結構形式如圖8所示。

圖8 提升點類型大樣

3 鋼結構卸載方案

3.1 卸載重難點分析

本工程屋蓋面積大、跨度大、柱少，屋蓋結構內部桿件受力復雜，在卸載過程中，局部的受力變化將對整個結構的受力情況產生巨大影響，為保證桁架整體穩(wěn)定性和承載性，在此卸載過程中，屋蓋不可產生塑性變形及應力。本工程中，提升點共54個，即卸載點為54個，卸載點數量將明顯影響到卸載過程的安全性、主體結構的穩(wěn)定性，故對卸載系統(tǒng)的同步控制性具有極高要求。

3.2 卸載原則及順序

結構內力在卸載過程中產生復雜變化，主體結構與支架間由相互傳力狀態(tài)逐步過渡為相互獨立狀態(tài)，支架由初始的承載主體自重狀態(tài)轉變?yōu)闊o荷狀態(tài)，主體結構則由初始的支撐受力狀態(tài)轉變?yōu)樽杂墒芰顟B(tài)，其桿件內力發(fā)生巨大變化。為保證卸載過程順利進行，卸載需同時做到均衡、協(xié)調、緩和。本工程遵循分區(qū)分批、分級同步、均衡緩慢、變形協(xié)調的原則進行卸載。

本工程分上、下2個標段，2個標段相鄰提升點24，25應待2個標段屋蓋完全提升到位后方可進行卸載，避免結構因施工不同步產生內力。單個標段卸載分3批進行，先兩側對稱卸載提升點1～20，再卸載中部天窗區(qū)域；然后對稱卸載提升點21～23；最后先校對與另一標段相連處桁架標高是否到位，待校對無誤后，對稱卸載提升點24，25。整個卸載過程中，嚴格遵守卸載的對稱性及同一批次提升點同步性原則。卸載點布置如圖9所示。

圖9 卸載點布置

利用提升支撐架頂部提升油缸系統(tǒng)逐級減小荷載的方式進行卸載，通過對講機統(tǒng)一指揮進行同步卸載操作，應根據施工全過程模擬計算最大變形值得出相應的卸載每級控制量，卸載每級控制應為最大變形值的10%，30%，50%，70%，90%，100%。在卸載過程中，設置專員密切監(jiān)測并記錄變形控制點的位移量，卸載過程中出現實測值與理論值有較大偏差時應停止卸載，會同各相關參建單位查出偏差原因，并通過單點油缸調節(jié)就位后繼續(xù)進行。

4 施工全過程數值模擬分析

對于跨度大的鋼結構構件，施工工況不同極大地影響了構件內力與變形，不同安裝順序也對構件內部受力有顯著影響。為保證施工過程安全，需對杭州西站站房鋼結構屋蓋進行施工過程仿真模擬分析。根據實際施工安裝順序，通過3D3S有限元分析軟件，計算并分析鋼結構屋蓋在各安裝過程中的位移及應力變化情況(見圖10)。

圖10 典型工況下鋼屋蓋結構變形及應力比

為確保施工安全，方便提前做好預防工作，有必要分析提升架各階段的受力情況，找出在提升過程中的最不利狀況。鋼屋蓋旋轉過程中提升鋼絞線與立柱有微小角度產生水平力，隨著旋轉施工進行，角度逐漸趨于0°，施工模擬分析時按實際剛提升時最大角度對提升架進行計算，驗算提升架在水平和豎向荷載共同作用下結構承載力，該工況為提升2區(qū)、3區(qū)翻轉前工況。各提升分區(qū)及其對應提升架在提升過程中模擬結果如表1所示。

表1 各分塊提升的模擬計算結果

通過MIDAS Gen分析發(fā)現，鋼結構屋蓋在提升吊裝過程中，最大變形位移為72mm，結構應力比最大為0.779；提升架最大變形位移為25mm，結構應力比最大為0.662，均滿足規(guī)范設計要求，說明整個施工方案具有合理可行性。

5 全過程變形控制研究

屋蓋采用空間曲面結構，對曲面屋蓋結構關鍵部位豎向位移的全過程監(jiān)控是施工安全控制的重要措施。監(jiān)控點設置在屋蓋桁架懸挑外側和中部提升吊點跨中處，監(jiān)控屋蓋結構最大豎向變形，監(jiān)控點布置如圖11所示。為方便測量，采用反射貼片(40mm×40mm)輔助測量，將貼片設置在下弦鋼管側面，通過高精度全站儀進行變形數據采集。屋蓋在提升、安裝嵌補桿件、提升架卸載前后對理論計算變形值與實測變形值進行對比，本文選取典型檢測點P1，P2，如圖11所示。

圖11 變形監(jiān)控點布置

由圖12可知，實測監(jiān)控點變形最大值在中部天窗位置，最大變形值為79mm，這與結構中天窗位置跨度較大有關，結構天窗桁架較兩側小，因此中部天窗結構變形較大。

圖12 監(jiān)控點P1，P2變形理論值與實測值對比

6 結語

首先介紹了杭州西站站房鋼結構屋蓋結構特點，其次根據結構特點確定了施工安裝方案和卸載方案，詳細介紹了鋼結構屋蓋提升過程、提升架設計及布置，合理的提升方案大大減少了拼裝胎架數量，體現了良好的經濟效益。最后結合實際工程情況，采用MIDAS GEN有限元分析軟件對結構在提升過程中的受力情況進行模擬分析。結果表明，鋼結構屋蓋的提升及卸載方案在滿足可行性和安全性的同時，具備良好的經濟性。