大型鐵路站房復雜環境下鋼結構吊裝施工技術*

楊振龍，許 慧，馮昊楠，姜 蘇，郭 祺，高春源，王 磊，孫 巖

(1.中鐵建工集團有限公司，北京 100070；2.中國二十二冶集團有限公司，河北 唐山 063000)

1 工程概況

北京豐臺站改建工程總建筑面積40萬m2，屋頂的最大投影長度為516m，寬度為346m，總鋼結構用量約20萬t。中央站房主體及東西站房均采用框架結構體系，框架柱均為田字形或口字形鋼管混凝土柱，框架梁在-2.500m層、9.800m層、20.500m層采用勁性鋼骨混凝土梁，最大跨度為41.5m，屋面高度為33.5m。

2 復雜環境下鋼結構施工關鍵問題

1)由于站房面積大，鋼筋、模板、支撐體系用量多，需大量塔式起重機配合垂直運輸施工，造成重型塔式起重機數量少，且鋼結構吊裝作業時利用重型塔式起重機的時間相對減少，不滿足鋼結構施工工期。為解決交叉施工的問題，設計了裝配式棧橋，利用履帶式起重機進行鋼結構吊裝。

2)首節鋼柱從橫向狀態吊至豎向狀態過程中，鋼柱與地面會逐步分離從而產生瞬時力，該力會對起重機造成安全隱患，因此研究設計了鋼柱安裝緩沖裝置，保證起重機在吊裝過程中的安全性能。由于鋼柱噸位大，鋼柱安裝就位后，標高調整非常困難，通常利用塔式起重機多次調整，校正無誤后脫離塔式起重機，傳統方法既占用塔式起重機工作時間，又存在安全隱患，因此研究設計了重型鋼柱校正裝置。在上部鋼柱脫離地面前，始終會有一條邊緊貼地面，上部鋼柱下口有焊接襯板，使鋼柱質量壓在襯板上，造成襯板的破壞，對后期鋼柱對接焊接造成質量隱患，因此研究設計了鋼柱襯板保護裝置。

3)鋼柱材料全部采用高強度結構鋼，板厚50～100mm，且鋼柱截面較大，焊縫長度較長，最長焊縫長2 200mm，鋼柱焊接難度較大，且現場施工經歷2個冬期和雨期施工，若不針對項目特點進行針對性的焊接工藝評定，則無法保證現場焊接質量，焊接合格率會嚴重降低，因此現場進行了大量的焊接工藝評定，可覆蓋現場所有焊接形式。

4)鋼柱牛腿等懸挑結構安裝、鋼柱牛腿與鋼梁對接均為高空作業，施工危險性較高，操作空間有限，無法保證焊接質量。針對上述問題，研究設計了專用掛籃。

5)由于現場構件需求量大、工期要求緊，因此對構件的加工制作、存放場地、預拼裝、運輸物流信息等的管理尤為重要，若無法準確掌握各構件的上述狀態，則會給現場施工協調及管理帶來極大困難，在構件安裝時無法準確找到相應構件，導致現場管理混亂。

3 裝配式棧橋施工

大型履帶式起重機吊裝行走通道采用裝配式棧橋結構。棧橋采用標準化設計制作，高約2.5m，寬2m，長度方向每9m為1個單元(見圖1)。每個獨立單元包括H型鋼立柱、H型鋼頂部鋼梁框架、柱間支撐和路基箱。立柱采用HW350×350×12×19制作成4個門型鋼架，門型鋼架間距為3m，左右兩側4根立柱通過柱間支撐連接固定，柱間支撐采用[25a制作。棧橋頂部通過頂部框架固接為一體，頂部框架采用HW350×350×12×19制作。頂部框架與門形立柱、柱間支撐與門形立柱均采用高強螺栓連接，方便安裝和拆卸。兩側棧橋間距根據大型履帶式起重機的履帶間距d調整。

圖1 裝配式棧橋

由于基礎施工完畢后，起重機無法行駛到基礎頂部進行吊裝，因此裝配式棧橋利用現場布置的塔式起重機進行安裝。首先將門形立柱擺放到基礎頂面，間距調整好后，安裝門形立柱間的柱間支撐，將門形立柱連成框架形成穩定體系；然后吊裝頂部框架，將4根門形立柱固接在一起，形成一個標準的棧橋單元，所有結構通過高強螺栓連接。在棧橋頂部框架上方鋪設預制好的路基箱，路基箱的長度和寬度與棧橋單元相同；在棧橋端部焊接擋板，防止路基箱與棧橋間發生滑動。

履帶式起重機通過坡道橋直接行駛至棧橋上進行吊裝作業。坡道橋采用I20制作，坡度為1∶8，長16m，如圖2所示。為了運輸和安裝、拆卸方便，坡道橋分2段制作并運輸至現場安裝。坡道橋上表面需鋪1層12mm厚鋼板。為防止履帶式起重機在行駛過程中下滑，需在鋼板面焊接φ12鋼筋作為防滑措施。

圖2 坡道橋

棧橋結構安裝完畢后，履帶式起重機可直接行駛至棧橋上進行鋼結構吊裝。可使大型履帶式起重機避開基礎頂面混凝土結構甩出的鋼筋，保證鋼結構的順利吊裝。現場可根據實際情況鋪設通道和履帶式起重機的回轉平臺，避開已施工的混凝土結構。

4 鋼柱安裝緩沖裝置和矯正裝置

首節鋼柱起吊前，在鋼柱底板位置設置1個起吊緩沖裝置(見圖3)，該緩沖裝置采用HW200×200×8×12制作，轉軸采用φ20圓鋼制作。

圖3 鋼柱起吊緩沖裝置

將緩沖器放在鋼柱起吊位置，當鋼柱緩慢起吊時，鋼柱底面與緩沖器上部橫梁接觸，隨著鋼柱起吊，緩沖器上部的H型鋼橫梁依靠轉軸進行轉動。鋼柱起吊過程中始終保證其與緩沖器接觸，直至鋼柱旋轉至豎直，防止鋼柱突然轉動而產生遠超其自重的動力，從而對起重機起到保護作用。鋼柱起吊過程如圖4所示。

圖4 鋼柱起吊過程

鋼柱完全立直后，調整起重機鉤頭位置，確定鉤頭中心與鋼柱中心一致后，將鋼柱起吊就位。鋼柱起吊后，離開地面約500mm，靜止5min檢查吊裝索具和履帶式起重機狀態，確認正常后正式將起吊鋼柱就位。當鋼柱吊裝至地腳螺栓上方約200mm，停止動作，待鋼柱穩定后，由施工人員輔助鋼柱緩慢下落，一方面調整鋼柱的定位軸線保證鋼柱定位準確，另一方面防止鋼柱下落過程中損壞地腳螺栓絲扣。

鋼柱完全落下后，采用20mm厚鋼板制作的校正裝置配合千斤頂對鋼柱進行標高和垂直度校正，如圖5所示。

圖5 重型鋼柱校正裝置使用

調整器下部開口按現場實際柱腳板外側與鋼柱主體的距離及柱腳板厚度確定，使用過程中將調整器下部開口位置卡住鋼柱腳板，利用千斤頂向下頂實現調整器向上動，以達到鋼柱測量定位校正的目的。鋼柱校正完畢后，將地腳螺栓的螺母全部擰緊固定，鋼墊板、鋼柱柱腳板與螺母焊接防止螺母松動。

5 鋼柱安裝與焊接

5.1 上部鋼柱安裝

1)上部鋼柱與首節鋼柱采用焊接連接，焊縫間隙10mm，在箱型鋼柱內部沿4條焊縫設置16mm厚鋼板，超出鋼柱坡口底部10mm，作為標高墊板和焊接襯板。鋼柱起吊過程中為防止損壞鋼襯板，在鋼柱底部設置襯板保護裝置(見圖6)，采用20mm厚鋼板制作，在保護襯板的同時起到緩沖作用，防止起重機在鋼柱立起過程中發生危險。

圖6 鋼柱襯板保護裝置

2)根據現場鋼柱板厚及鋼襯條規格確定2塊立板開口長度及豁口尺寸，鋼柱起吊前將保護器豁口插入鋼柱對接口位置，在鋼柱起吊旋轉過程中，該保護器承受鋼柱質量，進而保護鋼襯條不被碰觸而脫落。同時將該裝置底部做成圓角，在鋼柱旋轉立起過程中隨鋼柱旋轉，保證鋼柱不會突然轉動而發生危險。當鋼柱立起來后，隨著鋼柱逐漸起吊，鋼柱與襯板保護裝置自然脫離，完成起吊動作。

3)鋼柱吊裝就位并測量校正后交付焊接。

5.2 鋼柱焊接

1)本工程中鋼柱材料選用高強度厚板或超厚板(板厚50～100mm)，且鋼柱截面較大，焊縫較長，最長焊縫達2 200mm，焊接難度較大。為解決焊接難題，通過焊接工藝試驗確定既可操作又最經濟的焊縫坡口形式，焊縫坡口角度為30°，焊縫間隙10mm。通過試驗確定了各種焊接形式的焊接工藝參數，并形成了79組焊接工藝評定報告。

2)鋼柱安裝前，對鋼柱坡口位置進行打磨處理，清理坡口位置的鐵銹、氧化皮、水、油污等。

3)鋼柱安裝校正后，對鋼柱坡口位置進行預熱。利用鋼管制成多排出氣孔加熱裝置，加熱裝置的長度及出氣孔數量可根據加熱構件的尺寸而定。將烤槍出氣嘴與加熱裝置有效連接，進行預熱操作，利用測溫槍測量出鋼材達到工藝要求的預熱溫度后，進行后續焊接工作。該預熱裝置可同時對整條焊縫進行預熱，預熱范圍大、速度快。2名操作工人在鋼柱對稱面進行火焰預熱，預熱加熱區寬度為板厚的1.5倍，且≥100mm。當預熱溫度達到100℃時，停止預熱，進行鋼柱另外一側的預熱。在整個預熱過程中保證加熱區域整體均受熱，形成流水作業。預熱裝置如圖7所示。

圖7 預熱裝置示意

4)在鋼柱焊接過程中要對焊縫的層間溫度進行控制，當層間溫度達到250℃時停止焊接作業，當溫度降下來后再繼續焊接。整條焊縫焊接完畢后，需覆蓋保溫巖棉進行緩慢冷卻，如圖8所示。

圖8 鋼柱焊縫保溫緩冷

5.3 高空牛腿、鋼梁安裝焊接

1)由于鋼柱截面較大，為保證運輸，鋼柱上的牛腿只能在鋼柱安裝完畢后再進行安裝。高空牛腿安裝焊接缺少操作面，施工危險性高，為解決這一難題，制作牛腿高空安裝焊接專用支架(見圖9)。將2根角鋼橫桿、1根角鋼立桿組合，與3塊鋼跳板配合使用。在使用過程中，主要利用支架上、下橫桿分別與牛腿的上、下翼緣板焊接并鋪上鋼跳板，為工人焊接下翼緣板接口提供操作面。豎向立桿高出牛腿上翼緣板1 200mm，上開孔掛安全繩，為工人在牛腿上翼緣板上焊接接口提供安全保證。

圖9 牛腿高空安裝焊接支架

2)大截面箱型鋼梁安裝時，為給焊接工人提供焊接操作平臺，在鋼梁接口位置設置高空焊接掛籠，如圖10所示。高空焊接掛籠采用6根[10、28根∟63×63×5、8根φ12圓鋼、12塊跳板制作而成。

圖10 大截面箱型梁高空焊接掛籠示意

3)兩側掛籠可通過上部2根橫桿掛在大截面箱形梁兩側，掛籠底部位于大截面箱形梁下翼緣下方，兩側掛籠底部和中部采用角鋼搭設平臺，平臺上鋪跳板，掛籠立面一側設置圓鋼，另一側不設置，可供焊工由此進出掛籠。掛籠四周開孔掛安全繩，為工人在高空焊接作業提供安全保障。

6 鋼結構施工信息化管理

1)建立鋼構件運輸監控系統，實時掌握鋼構件的運輸過程，為施工現場協調調度施工資源提供數據支持。該系統包括手機APP終端、GPS定位終端、信息化物流管理系統。在信息化平臺中填入運輸車輛的相關基礎信息，設置運輸起點和終點并劃定起點和終點的范圍，設置發貨人和接貨人信息。在信息化平臺中鋼結構構件裝入運輸車輛，工廠使用PDA設備掃構件二維碼后進行裝車，司機師傅使用運輸軟件選擇自己的車輛，并拍攝車輛照片開始運輸，運輸過程中通過運輸軟件自動記錄軌跡、速度、聲音等，鋼結構構件運到指定地點后拍攝車輛照片結束運輸。鋼結構構件運輸監控效果顯著，不僅采用了定位軌跡的方式，還利用手機錄音、速度檢測等功能，實時掌控運輸過程中所發生的事件，其信息化平臺中與運輸軟件連接的構件、模型、車輛、司機、時間、軌跡、速度、聲音均能進行記錄和統計分析，且車輛駛出起點范圍和駛入終點范圍時由信息化平臺自動通知發貨人和收貨人，有效完成構件運輸過程中的自動化監控，為鋼結構的構件安裝提供有利的運輸保障。

2)施工現場采用新的施工進度管理辦法，通過BIM模型調整計劃進度時間線控制工程模型展示的內容。利用無人機自動起飛、巡航、回歸充電，對無人機自動巡航掃描的數據進行自動實景建模并進行簡單處理，最后將工程模型與實景模型進行自動數據對比分析，得到進度偏差百分比。通過以上方法掌握工程建設的進度，在最短時間內有效完成工程進度管理的自動化數據采集和分析，為解決人力、機械、資源的投入和調配提供有利的數據保障。

3)分析二維現場布置圖紙并根據現場實際情況在平面布置圖內標注測站位置、目標球位置以保證最佳掃描效果，使用三維掃描儀對現場實況、運輸車輛、起重設備及構件進行掃描，合并模型得到現場實際模型及設備模型。利用現場實際掃描模型可在Revit等建模軟件內進行碰撞測試，從而分析出現場實際容量及運輸方案，并進行安裝方案模擬。本工法的寫實三維建模效果顯著，不僅采用Trimble TX8三維掃描儀的強大寫實造型功能，還利用建模軟件對現場模型進行參數化，準確地表達了現場的實際造型，對以后構件堆放、運輸、車輛調度等工作效率的提高發揮了極大的作用，能最大化利用拼裝場地的有限空間，同時提前進行鋼結構吊裝方案模擬，避免吊裝過程中發生碰撞，為鋼結構施工提供有利保障。

7 結語

北京豐臺站改建工程是國內首座雙層車場結構，即最下層是普速承軌層，上方是高架候車層，在高架候車層上面又增加了一層高速承軌層。雙層車場結構導致站房的框架結構截面較大，構造復雜。通過研發大型鐵路站房復雜環境下大型鋼構件吊裝施工技術，采用裝配式棧橋為大型履帶式起重機的吊裝作業提供通道，減少鋼結構構件分段數量，大大降低了現場的安裝工作量和施工難度，同時研發了新的鋼結構施工工藝，不但提高了施工質量和施工效率，在保證施工進度的同時大大節約了人力，創造了可觀的經濟效益。采用重型鋼柱安裝校正工裝，提高了重型鋼柱的安裝精度和效率。采用的裝配式棧橋可循環利用，體現了鋼結構綠色施工的優點。