柳州火車站室外高大超寬機(jī)翼型鋁板吊頂單元反吊施工技術(shù)

趙天野

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑造型更加多元化、復(fù)雜化，當(dāng)前在火車站、會(huì)展中心、大型報(bào)告廳、機(jī)場(chǎng)航站樓等公共建筑中常采用鋁條板吊頂形式，此種形式吊頂常為簡(jiǎn)單的平面造型，采用常用的吊頂轉(zhuǎn)換龍骨體系即可以滿足造型要求。但對(duì)于造型新穎，連接方式復(fù)雜的設(shè)計(jì)構(gòu)造，如本案例中的高大超寬機(jī)翼型鋁板吊頂，這種吊頂體系在工程施工進(jìn)度、安裝可靠性和經(jīng)濟(jì)性、美觀性等方面就存在較大的難度，本文根據(jù)柳州站站房擴(kuò)建工程的施工實(shí)際情況，進(jìn)行吊頂造型設(shè)計(jì)、龍骨及轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算和施工方法的分析研究。

1 吊頂工程概況

柳州站位于廣西壯族自治區(qū)柳州市南站路北側(cè)，現(xiàn)有湘桂、黔桂、焦柳鐵路線路在此交匯，為既有站房改擴(kuò)建工程，擴(kuò)建后，車站總建筑面積為 11.4 萬 m2。其中站房東西兩側(cè)鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架下方室外部分為機(jī)翼型鋁板吊頂，東西兩側(cè)吊頂平面面積 5 900 m2，其中東側(cè)吊頂施工完成，南北最長(zhǎng)處長(zhǎng)度 218 m，東西向最寬處寬度 35.8 m，吊頂凈標(biāo)高為 19.6 m，吊頂剖面尺寸638 mm×78 mm×3 mm。吊頂下方地面設(shè)計(jì)為石材地面，墻面玻璃幕墻，施工完成后現(xiàn)場(chǎng)情況如圖 1 所示，剖面圖如圖 2 所示。

圖1 機(jī)翼型吊頂平視圖

圖2 機(jī)翼型吊頂剖面圖

此機(jī)翼型吊頂設(shè)計(jì)在屋面鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架下方，鋁板形式復(fù)雜，桁架龍骨高度高，重量大，連接安裝困難，按照常規(guī)的轉(zhuǎn)換龍骨體系進(jìn)行安裝，根本不能控制機(jī)翼型吊頂?shù)钠秸扰c可靠性，材料消耗大且加工難度高，施工進(jìn)度與經(jīng)濟(jì)上也極不合理，因此必須從設(shè)計(jì)到施工對(duì)吊頂進(jìn)行全系統(tǒng)的改進(jìn)，對(duì)造型進(jìn)行必要的深化改進(jìn)，對(duì)桁架龍骨連接、轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)施工方法進(jìn)行研究。

2 吊頂構(gòu)造設(shè)計(jì)

整個(gè)吊頂體系計(jì)算分為機(jī)翼型鋁板設(shè)計(jì)、吊頂龍骨體系設(shè)計(jì)、螺栓球轉(zhuǎn)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，其中機(jī)翼型鋁板造型設(shè)計(jì)為體系亮點(diǎn)、螺栓球轉(zhuǎn)化節(jié)點(diǎn)為體系設(shè)計(jì)計(jì)算重要控制點(diǎn)。機(jī)翼型吊頂體系圖如圖 3 所示。

圖3 機(jī)翼型吊頂體系圖（單位：mm）

2.1 機(jī)翼型鋁板設(shè)計(jì)

吊頂鋁板總寬度 638 mm，厚度 78 mm，由 3 塊鋁板及 4 塊扣蓋拼裝組成，吊頂中間位置使用 127 mm白色鋁合金連接件與兩側(cè) 216 mm 白色梭型鋁板栓接連接，梭形鋁板圓弧角半徑R=968 mm，整體形狀類似于飛機(jī)機(jī)翼，富有現(xiàn)代化科技?xì)庀ⅲ唧w構(gòu)件尺寸如圖 4 所示。

圖4 機(jī)翼型吊頂構(gòu)件圖（單位：mm）

根據(jù)吊頂?shù)某叽缧螤顚?duì)吊頂鋁板的強(qiáng)度、剛度、抗剪強(qiáng)度計(jì)算，最終得到機(jī)翼型吊頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式可以滿足受力要求。

2.2 吊頂龍骨體系設(shè)計(jì)

龍骨體系由豎向龍骨（120×60×4 鋼管 Q235B，L=100 mm、表面噴漆處理）、水平橫向和縱向龍骨（80×60×4 鋼管 Q235B，表面噴漆處理）組成。

室外大型機(jī)翼板吊頂?shù)闹饕兄亟Y(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的受力單元螺栓球，在前期鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，就考慮了后期吊頂荷載作用，預(yù)先在螺栓球上預(yù)留了與吊頂鋼架連接用的螺栓孔，便于后期吊頂施工，吊頂鋼架結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架 3 m×2.5～3.5 m 的間距進(jìn)行布置，結(jié)構(gòu)的選型和布置綜合考慮了受力特點(diǎn)（包括風(fēng)荷載和地震的水平荷載，風(fēng)荷載和自重的豎向荷載），通過有限元軟件分別進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算，得到鋼架的強(qiáng)度、剛度滿足規(guī)范要求。并通過支反力計(jì)算，得到最大組合豎向力為 20.89 kN，計(jì)算結(jié)果如圖 5 所示。

圖5 鋼架支反力計(jì)算結(jié)果

最大恒載豎向力：3.19 kN。

最大風(fēng)荷載豎向力：12.64 kN。

最大組合豎向力：3.19+12.64×1.4=20.89 kN。

2.3 螺栓球轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算

螺栓球與吊頂龍骨的連接位置，根據(jù)安全可靠和經(jīng)濟(jì)節(jié)材的原則，采用了栓接與焊接相結(jié)合的方式進(jìn)行施工，轉(zhuǎn)換支架包含兩部分，一是 C 10# 槽鋼 Q235B 搭配單個(gè) M20 高強(qiáng)螺栓組；二是一塊中間開洞的 6 mm 厚材質(zhì)為 Q235B 鋼板轉(zhuǎn)接件，兩者滿焊連接，節(jié)點(diǎn)圖如圖 6 所示。根據(jù)有限元軟件受力計(jì)算，最大組合豎向力為 20.89 kN，單個(gè)螺栓拉拔力和剪力，焊縫正應(yīng)力均滿足要求，焊縫參數(shù)如圖 7 所示，螺栓參數(shù)如表 1 所示。

圖6 螺栓球節(jié)點(diǎn)圖

圖7 焊縫截面參數(shù)圖

表1 不銹鋼螺栓表（A2-70 S/S Bolt）

單個(gè) M20 螺栓承受拉拔力：20.89 kN≤78.33 kN。

焊縫正應(yīng)力：σ=20 890/2 184=9.57 MPa≤160 MPa。

螺栓強(qiáng)度、焊縫強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3 吊頂安裝施工

施工步驟：施工段劃分→測(cè)量放線→螺栓球轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)施工→機(jī)翼板的拼裝和轉(zhuǎn)接件的安裝→底座的安裝和機(jī)翼板就位→龍骨系統(tǒng)的拼裝并與機(jī)翼板連接→反吊施工→單元與網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。

3.1 施工段的劃分

根據(jù)單塊機(jī)翼板重量、起吊設(shè)備參數(shù)和龍骨溫度收縮，將 6 塊機(jī)翼板作為一個(gè)拼裝單元，將站房室外檐口機(jī)翼板吊頂分為 40 個(gè)單元和若干個(gè)散拼塊。施工順序：先施工東側(cè)，再施工南北兩側(cè)；每側(cè)由內(nèi)向屋面外檐口方向施工，兩側(cè)對(duì)稱施工，施工段劃分如圖 9 所示。

圖9 施工段的劃分

3.2 測(cè)量放線

根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，測(cè)量定出以屋面網(wǎng)架球點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)點(diǎn)的控制線，并繪成測(cè)量控制網(wǎng)。在每個(gè)螺栓球上標(biāo)出與吊頂安裝標(biāo)高控制線的距離，形成了立體施工控制網(wǎng)，所有測(cè)量布點(diǎn)均采用全站儀布設(shè)，儀器立于地面，測(cè)量人員在屋面鋼結(jié)構(gòu)上定點(diǎn)。所形成的施工控制網(wǎng)用于下料、龍骨體系定位安裝及復(fù)核、機(jī)翼吊頂?shù)陌惭b及復(fù)核。該測(cè)量過程應(yīng)作為工程施工控制的關(guān)鍵。

3.3 螺栓球轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)施工

螺栓球與鋼架連接位置，采用了栓接與焊接相結(jié)合的方式進(jìn)行施工，轉(zhuǎn)換件包含兩部分，一是 C10# 槽鋼 Q235B 搭配 M20 高強(qiáng)螺栓組、二是一塊中間開洞的6 mm 厚鋼板轉(zhuǎn)接件，兩者焊接連接。

轉(zhuǎn)換件在地面進(jìn)行構(gòu)件制作與焊接，打磨除銹刷漆后再在高空進(jìn)行栓接，螺栓必須使用專用力矩扳手?jǐn)Q緊，專人進(jìn)行復(fù)核，避免漏擰、未擰緊，現(xiàn)場(chǎng)施工完成照片如圖 10 所示。

圖10 螺栓球節(jié)點(diǎn)圖

3.4 機(jī)翼板的拼裝和轉(zhuǎn)接件的安裝

單個(gè)機(jī)翼板尺寸長(zhǎng) 7 m，寬 0.638 m，重 98 kg，由 3部分組成，需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝、打磨、安裝壓條板，局部斜邊倒角位置需要進(jìn)行切割。每個(gè)機(jī)翼板上方安裝三對(duì)轉(zhuǎn)接件，每對(duì)轉(zhuǎn)接件由兩個(gè) 6 mm 厚角鋼 Q235B 組成，使用 2 顆 M8×35 不銹鋼螺栓組固定，轉(zhuǎn)接件后續(xù)與龍骨進(jìn)行連接，轉(zhuǎn)換體系節(jié)點(diǎn)如圖 11、圖 12 所示。

圖11 機(jī)翼板轉(zhuǎn)接體系節(jié)點(diǎn)

圖12 機(jī)翼板轉(zhuǎn)接件

3.5 底座的安裝和機(jī)翼板就位

使用方管角鋼焊接成的機(jī)翼板放置底座，不屬于吊頂自身結(jié)構(gòu)，但可多次重復(fù)使用，因其控制機(jī)翼板的放置角度，所以需嚴(yán)格控制其拼裝尺寸，現(xiàn)場(chǎng)拼裝如圖 13 所示。

圖13 機(jī)翼板放置于底座

3.6 龍骨系統(tǒng)的拼裝并與機(jī)翼板連接

龍骨體系的拼裝精度直接影響吊頂成型的效果，必須精確控制其尺寸、高度、平整度，避免出現(xiàn)累計(jì)誤差，影響整體外觀質(zhì)量。每個(gè)龍骨體系選取 4 個(gè)測(cè)量點(diǎn)（水平縱橫龍骨連接處）進(jìn)行標(biāo)高控制。焊接過程在地面完成，嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量。

龍骨體系和機(jī)翼板通過已安裝好的轉(zhuǎn)接件進(jìn)行焊接連接。焊接過程對(duì)稱施焊，先點(diǎn)焊，待測(cè)量定位無誤組件調(diào)整符合要求后再進(jìn)行滿焊、除銹、刷漆施工，無機(jī)富鋅漆涂刷 2 道。

3.7 反吊施工

單個(gè)拼裝單元的自重約為 750 kg，為保證吊裝的安全平穩(wěn)，現(xiàn)場(chǎng)采用兩臺(tái) 3 000 kg 的 DM1 CD1 型卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行吊裝作業(yè)，每臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)采用 8 顆化學(xué)錨栓與地面固定，防止吊裝過程中發(fā)生滑動(dòng)和傾覆。吊裝前采用兩個(gè)定滑輪分別布置于網(wǎng)架下弦桿的東西兩側(cè)，通過鋼絲繩控制機(jī)翼板拼裝單元的起降和東西向位移。

同時(shí)在拼裝單元的四角布置 4 個(gè)吊點(diǎn)，吊點(diǎn)位置通過綁帶和φ10 鋼絲繩進(jìn)行加強(qiáng)處理，單個(gè)吊點(diǎn)起吊重量約 190 kg，每側(cè)均布置一個(gè)手動(dòng)葫蘆，便于與網(wǎng)架體系進(jìn)行對(duì)接時(shí)的方位調(diào)整［1-3］。

地面由兩組各三人通過與單元綁扎的麻繩，進(jìn)行南北兩側(cè)的方向控制。這樣形成了能控制空間 6 個(gè)方位位移的操作體系（見圖 14）。

圖14 吊裝現(xiàn)場(chǎng)

3.8 單元與網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接

拼裝單元反吊至指定位置后，需要與螺栓球轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。因網(wǎng)架螺栓球不在同一標(biāo)高，現(xiàn)場(chǎng)拼裝單元和螺栓球有兩種連接方式，一種是通過 M12×100不銹鋼螺栓組進(jìn)行栓接，另一種是通過 60×60×4 鋼管Q235B 作為轉(zhuǎn)換層進(jìn)行焊接，連接方式圖紙如圖 15 所示。對(duì)接過程需使用全站儀全程監(jiān)測(cè)標(biāo)高和定位，這是整個(gè)施工過程重要一步，對(duì)接質(zhì)量直接決定了機(jī)翼板吊頂?shù)某尚托Ч?/p>

圖15 兩種連接方式（單位：mm）

4 結(jié)語

通過對(duì)吊頂施工方案的選擇與技術(shù)改進(jìn)，同時(shí)對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，并經(jīng)過精心的施工，將柳州站站房擴(kuò)建工程的室外高大超寬機(jī)翼板吊頂完美地展現(xiàn)了出來，外觀效果極佳，內(nèi)在質(zhì)量上乘。吊頂轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的順利實(shí)施，比常規(guī)的施工方案節(jié)約了大量的工期及成本，且安全適用美觀，科技感強(qiáng)，極大地提高了施工效率，施工質(zhì)量也得到了大幅提高，受到了監(jiān)理和業(yè)主好評(píng)一致，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速提高，尤其國家“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，勢(shì)必帶動(dòng)建筑業(yè)產(chǎn)生更加廣闊的發(fā)展前景。柳州站通過室外高大超寬機(jī)翼型鋁板吊頂單元反吊施工技術(shù)的實(shí)際實(shí)施，對(duì)特制轉(zhuǎn)換件與主體鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架螺栓球栓接、機(jī)翼型鋁板吊頂單元反吊施工積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。Q