高架車站大懸挑大跨度鋼架安裝質量關鍵技術研究

陳喜暉 閆昌盛 吳偉文 王長春

摘要：城際鐵路車站多采用大跨度、大懸挑、雙曲面弧形的屋面設計，且施工區域多位于在城市密集區內，施工質量、安全難以保證，尤其是對于造型多樣且重量大的建筑懸挑段而言施工難度更大。本文以斜橋鎮站大懸挑鋼架安裝為例，分析了大懸挑、大跨度鋼架施工存在的難點，并通過比選確定了格構柱法作為施工方案。經過理論和有限元分析計算確定了格構柱的具體設計參數，結合實際工程闡述了格構柱支撐施工要點和相關的質量安全控制措施。結論如下：大懸挑、大跨度鋼架安裝過程中，采用格構柱法進行安裝是可行的，相對吊裝法和支模架法具有施工質量高和造價低的優勢;在設計階段采用有限元分析可以獲得最優格構柱型號參數。

關鍵詞：高架車站;大懸挑;鋼架安裝;格構柱;關鍵技術

中圖分類號：TU3 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）03-0139-04

隨著國內公共與民用建筑鋼結構的發展，大跨度、大空間會展場館類鋼結構設計層出不窮，但是如何將這類安裝難度超大的鋼結構工程完美呈現在公眾面前，完成設計理念到實際的完美落地一直是現場施工管理孜孜不倦的追求。

大跨度鋼結構領域，國內許多學者從理論研究到施工技術都進行了很多研究。Qiaosheng C 等通過模擬施工全過程的基礎上選擇了合理的施工方案。Xihua S 等以杭州東站東側為例，在狹窄場地中探索大跨度外挑管桁架屋蓋的吊裝施工技術。王良波等以北京望京 SOHO 工程為依托，通過受力分析，保證了整個 T2塔樓鋼屋面順利施工。孫群倫等以某會展中心建筑為工程背景，證明分段吊裝拼裝技術方法可靠。

以上列舉的研究成果，為大跨度門式鋼架的施工技術與設計優化提供了寶貴的理論和實踐經驗，然而大懸挑、大重量的構件安裝施工研究依然很少。因此本文以斜橋鎮站為例，通過不斷優化確定實際應用的格構柱參數，并提出了大懸挑剛架安裝的格構柱法的施工工藝。

1工程概況

斜橋鎮車站總體呈東西向布置，位于主干公路上，車站由上至下分為站臺層、站臺板下層、站廳層。車站鋼結構最高點高度為23.35m，跨度為33.4m，總長度108m，如圖1所示。車站兩端的懸挑的空間尺寸（長×寬×高）為34.7m×24m×12.7m，為雙曲線弧形，采用 D402×14圓鋼管。

對于斜橋車站這類大懸挑大跨度弧形鋼結構的安裝施工存在以下難點：

（1）交叉施工難。懸挑段安裝需要設置支撐體系，支撐點在2個車站的軌行區內，且不影響機電標段施工，支撐體系在有限區域內滿足懸挑段鋼架安裝。

（2）精度控制難。懸挑段鋼架高度高，構件重量重，故安裝過程中起拱度、水平度精度控制難度非常大，安裝過程中穩定性難以保證。

（3）安全管理難。車站位于通行一級公路上方，交通流量大，在施工期間安全防護要求高，高空墜物管理難度大。

（4）預期效果難。在屋面板工程施工中建設單位對屋面板外觀質量上要求需與設計效果圖一致，其技術難度較大。

2施工方案確定

現有的研究中，大跨度鋼架主要通過場下整體吊裝施工和滿堂支架法施工，從以下4個方面依次對比。

（1）施工精度。與傳統的場下拼裝后整體吊裝方法相比，格構柱法安裝門式懸挑鋼結構，為懸挑構件吊運、安裝提供了臨時支撐，安裝定位精度顯著提高。

（2）質量保證。格構柱在結構沒有合攏之前給不完整結構提供可靠的臨時的支撐受力點，并提供一個矯正定位的受力平臺。有效控制了整體吊裝造成的定位偏差及焊縫尺寸偏差，保證了施工質量和完成效果。

（3）安全性。分段吊裝降低構件吊裝重量，為構件吊裝提供施工平臺，降低了整體吊裝風險，減少與軌行區和其他專業施工的沖突。

（4）施工費用。格構柱法施工與場下整體吊裝施工、滿堂支架法相比，每座車站鋼結構懸挑段施工至少節約成本10.3萬元，具體費用對比如表1所示。

3格構柱設計

3.1格構柱的理論計算

對于格構柱考慮柱身穩定性，現有主要采用平衡法、動力法和能量法，其中能量法被廣泛用于臨界荷載求解，本文采用能量法進行計算，同時考慮模型尺寸，采用綴條柱進行計算，見圖2。

格構柱彎曲臨界荷載公式為：

其中，b 為主肢間距，θ為斜綴條與水平軸的夾角，A1表示格構柱主肢面積， A2表示斜綴條面積， I 為格構柱主肢組合截面對形心軸的慣性矩。

考慮格構柱材料的非線性，需要對鋼材的應力-應變關系進行研究。具體參考如式2所示：

其中：ES 為彈性模量，取值2.03×105MPa，fy 鋼材的屈服強度，εe 比例極限所對應的應變值，εe1開始進入屈服階段所對應的應變值，εe2開始進入強化階段所對應的應變值，εe3強度極限所對應的應變值。

3.2格構柱有限元計算和型號優化

選用 Midas-gen 800建立了幾何模型（如圖3）。計算選取跨為一個層間并施加荷載，構件型號根據經驗初定，通過在不同荷載組合下的計算表明柱身穩定性和安全性皆滿足要求，組合見表2，其中 DL 為重力荷載，LL 為活荷載，WL 為風荷載。

為保證經濟性，通過不斷的計算對格構柱組件參數不斷優化，格構柱最終選用的具體型號如表3所示，格構柱截面尺寸為1.5m×1.5m，單段長度2.2m。

4 格構柱法施工

4.1 施工要點

4.1.1 安裝格構柱連接底板

格構柱作為臨時支撐分別設置在橋面軌道層和地

面后澆筑的基礎上，每個懸挑端 4 個，如圖 4 所示。

橋面軌道層的格構柱：4個柱腳分別采用 M12化學錨栓植入梁面，然后放置方形鋼板。地面上的格構柱：先采用全站儀放樣，將支撐點位置標記在地面上，以點位為中心開挖結構尺寸為2m×2m×1m 的基坑并澆筑 C20混凝土基礎。

4.1.2柱腳安裝

將一節格構柱放置于連接底板上，然后將格構柱底座與連接底板接觸位置焊牢?？紤]到格構柱架調平處理后支撐與預埋鋼板出現空隙，可采用在支撐架側與預埋板處增設一塊鋼板后相互焊接牢固。

4.1.3格構柱吊裝、拼裝

對格構柱的節段進行場下拼裝，將4個節段拼裝成一個吊裝單體。安裝時各節段的插銷均按要求設置到位，對后續節段進行吊裝，直至達到要求標高位置，如圖5所示。

4.1.4柱身固定

根據現場實際設置纜風繩或硬性拉結等安全措施，確保格構柱的穩定性?；A設置在地面的格構柱，設置“八字形”拉撐與軌道層埋件連接，在格構柱頂部分別設置4根12#纜風繩，保證格構柱穩定。相鄰格構柱之間的連接用槽鋼相連，形成框架結構。

4.1.5懸挑段鋼結構吊裝

懸挑構件按專項施工方案要求順序進行吊裝，如圖6所示。吊裝期間，測量人員通過測量反光片及時對鋼結構的標高、平面位置進行復核，滿足設計及規范要求后進行臨時加固和構件拼裝焊接，直至懸挑段安裝完成。

4.1.6格構柱拆除

現場在根據實際情況對安放在地面上的4個格構柱進行對稱拆除，橋面軌道層的4個格構柱保留至另一側懸挑施工完成后再進行兩端同步拆除，以此確保懸挑結構的安全質量。

5結論

本文針對高架車站大跨度、大懸挑、雙曲面弧形的屋面設計特點，提出了格構柱法的安裝施工工藝，然后結合斜橋鎮車站依次說明從格構柱設計和現場施工工藝流程。結論如下：

（1）通過方案對比格構柱法相對于滿堂支模架搭建和吊裝搭建法，具有施工進度高、質量安全可靠、施工成本低和施工快捷等優點，社會經濟效益顯著。

（2）通過在實際工程中的成功應用表明格構柱設計參數和工藝是可靠的，具有一定的工程借鑒意義。

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