鄭州南站站房屋蓋鋼桁架提升施工技術(shù)分析

蔡 蕾，張翔宇，蘇芳洲，陳虹文，宋元亮，蔣 斌

(1.江蘇滬寧鋼機股份有限公司，江蘇 宜興 214231；2.中鐵建工集團有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；3.江蘇京滬重工有限公司，江蘇 啟東 226200)

1 工程概況

鄭州南站位于河南省鄭州市，設(shè)計規(guī)模為16臺32線；站房建筑面積約15萬m2，規(guī)?？氨揉嵵輺|站?？傮w布局取意天圓地方，東、西廣場共同構(gòu)成巨幅圓形構(gòu)圖，站房嵌于其中(見圖1)。站房采用高架形式，上進下出，主要分為3層：高架候車層(標高20.900m)、站臺層(標高11.000m)、出站層(標高±0.000)。

圖1 鄭州南站建筑效果

站房屋蓋整體為高低起伏波浪造型，采用正交空間管桁架結(jié)構(gòu)+實腹鋼梁結(jié)構(gòu)體系，整個站房屋蓋投影面積約11萬m2，平面投影尺寸為228m×483.2m，最大跨度72m，整個屋蓋支撐體系為室內(nèi)20組分叉Y形柱和四周68組格構(gòu)造型柱(見圖2)。管桁架主要規(guī)格為φ168×6～φ500×30，造型柱主要規(guī)格為φ245×12～φ500×30，材質(zhì)主要為Q345B。Y形柱為φ(1 200～800)×40變截面鋼管，材質(zhì)主要為Q390B。典型主桁架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)整體三維軸測示意

圖3 典型主桁架三維示意

2 施工方案選擇

整個屋蓋桁架劃分東、西側(cè)站房2個吊裝區(qū)和主站房3個提升分區(qū)(見圖4)。提升區(qū)桁架在高架層樓面按分區(qū)拼裝完成，采用計算機控制液壓同步提升工藝完成桁架安裝。由于屋蓋桁架中部與兩側(cè)高差較大，為降低桁架拼裝高度及安全風(fēng)險，桁架分2次累積提升；即中部桁架拼裝完畢第1次提升與兩側(cè)對接再整體提升至設(shè)計位置。

圖4 屋蓋桁架安裝分區(qū)劃分

3 鋼桁架提升施工分析

屋蓋鋼桁架在對應(yīng)投影的高架候車層樓面上按提升分區(qū)采用25t汽車式起重機進行分段拼裝，焊接完畢并整體檢測合格后，通過提升支架，采用計算機控制液壓同步提升技術(shù)將鋼桁架分區(qū)提升到設(shè)計位置。以提升分區(qū)1鋼桁架提升為例進行分析。

3.1 提升支架設(shè)計

綜合施工操作、安全優(yōu)質(zhì)及經(jīng)濟合理性，提升支架設(shè)置應(yīng)使鋼桁架受力盡可能接近原設(shè)計受力狀態(tài)。提升1區(qū)鋼桁架整體提升量約1 800t，約1.83萬m2，共設(shè)置24組提升支架，其中第1次中部提升利用中間8組提升支架。提升支架平面布置如圖5所示。

圖5 提升支架平面布置

根據(jù)提升支架布置及提升點反力結(jié)合鋼桁架結(jié)構(gòu)特點，提升支架共分3種類型，即3根鋼管組合支架(類型1)、3個格構(gòu)柱組合支架(類型2)、4個格構(gòu)柱組合支架(類型3)，如圖6所示。為確保精確度，應(yīng)用BIM技術(shù)對提升全過程分節(jié)點進行模擬演示，預(yù)判提升支架與桁架等其他結(jié)構(gòu)形式間的對應(yīng)關(guān)系，避免提升過程中發(fā)生碰撞。

圖6 提升架示意

3.2 桁架換桿及加固

通過對桁架提升分析計算，部分提升支架吊點部位桁架桿件需增強截面替換原桿及局部桁架增加桿件進行加固。鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計已考慮替換及加固桿件，工廠直接加工。

3.3 桁架拼裝

為更好地保證拼裝精度，應(yīng)用BIM技術(shù)對桁架拼裝過程進行模擬演示。為更好地控制焊接收縮等不平衡影響，桁架拼裝按先主后次、由中間向兩端原則，次桁架提前拼裝成單片再吊裝。其工藝流程為：拼裝胎架制作→主桁架拼裝→次桁架及屋面鋼梁安裝→典型桁架拼裝完成。

3.4 桁架分區(qū)提升

提升分區(qū)1整體提升采用10臺液壓泵站、30臺100t和2臺200t(1-11A和1-11B)油缸，其中第1次中部提升利用中間6臺液壓泵站和16臺100t油缸(見圖7)。

圖7 液壓泵站及油缸平面布置

1)提升前對油缸、液壓泵站、計算機控制系統(tǒng)、鋼桁架結(jié)構(gòu)等進行檢查，完好無誤后預(yù)緊鋼絞線準備加載。

定義4 設(shè)[Tk1,Tk2]，其中Tk1,Tk2∈T且1≤k1≤k2≤n,T為離散得分集，則稱為離散區(qū)間得分變量。特別地，當(dāng)k1=k2時，退化為得分變量。

2)試提升 按提升點荷載的20%，40%，60%，70%，80%，90%，95%，100%分級加載，至解除鋼桁架與拼裝胎架間的連接，懸空約10cm，至少4h；整個試提升過程對桁架結(jié)構(gòu)、提升設(shè)備和提升支架等進行檢查，無異常方可進行下道工序。

3)正式提升 確保提升通道無障礙物；全過程跟蹤觀測，當(dāng)提升荷載及同步性等出現(xiàn)異常值應(yīng)立即停止提升，處理后方可繼續(xù)提升。

4)提升就位 鋼桁架即將就位時放慢提升速度，根據(jù)各提升觀測點測量數(shù)據(jù)細微調(diào)整至設(shè)計位置。

5)提升當(dāng)天風(fēng)力≤5級且近3d內(nèi)無雨雪天氣。

3.5 桁架提升仿真模擬計算

為確保安全順利提升鋼桁架整體結(jié)構(gòu)，采用3D3S(v14.0)軟件進行仿真模擬計算(見圖8)。采用整體建模對鋼桁架及提升支架應(yīng)力、應(yīng)變進行驗算，其中鋼桁架采用原設(shè)計計算模型，提升支架根據(jù)模型空間放樣。提升分區(qū)1整體提升時，桁架最大變形為56mm，提升支架最大變形為18mm。桁架換桿后桿件最大應(yīng)力比為0.532，提升支架最大應(yīng)力比為0.66。綜上所述，整個提升過程結(jié)構(gòu)強度、剛度均處于可控狀態(tài)。

圖8 提升分區(qū)1桁架模擬結(jié)果

3.6 提升機械設(shè)備長期持荷安全措施

屋蓋鋼結(jié)構(gòu)提升就位后，直至卸載施工前，整套提升設(shè)備及工裝臨時支撐體系處于長期持荷狀態(tài)，采取以下措施保證此期間安全。

1)提升到位后，采用鋼絞線將屋蓋鋼結(jié)構(gòu)與鋼柱支撐體系進行臨時拉結(jié)固定，以免風(fēng)荷載、突發(fā)碰撞等情況下產(chǎn)生的水平荷載超負荷。

2)各提升分區(qū)分別設(shè)置獨立液壓泵站控制的計算機同步控制液壓提升裝置，液壓提升器兩端的楔形錨具設(shè)計有單向自鎖功能。當(dāng)提升到位后，由自鎖后的液壓提升器利用機械原理鎖緊鋼絞線。

3)定期檢查水平方向臨時固定鋼絞線、液壓提升器自鎖裝置，并監(jiān)測屋蓋定位控制點的位移變形，以確保卸載后屋蓋結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)換前的結(jié)構(gòu)安全。

4 支撐鋼柱安裝

由于鋼桁架提升需要，桁架下方Y(jié)形柱和格構(gòu)造型柱待鋼桁架提升到位后及時嵌補安裝，使整個屋蓋鋼桁架形成穩(wěn)定體系。汽車式起重機在高架層預(yù)留通道上進行Y形柱安裝；格構(gòu)造型柱提前拼成小單元，再采用汽車式起重機在高架車道上分塊吊裝。

5 卸載

根據(jù)屋蓋結(jié)構(gòu)特點并采用有限元分析軟件MIDAS Gen模擬分析，每個施工分區(qū)施工完成后可單獨進行卸載，為下道工序提前提供作業(yè)面；卸載當(dāng)日風(fēng)力<6級且無風(fēng)雪等。

提升分區(qū)1屋蓋鋼桁架下方支撐鋼柱安裝并驗收合格后采用分級逐步卸載。經(jīng)過計算分析，通過計算機統(tǒng)一控制液壓油缸按10%，30%，50%，70%，90%，100%逐級減荷達到卸載目的。鋼桁架卸載后最大變形為60mm，桿件最大應(yīng)力比為0.59；整體均處于可控狀態(tài)(見圖9)。

圖9 提升分區(qū)1桁架卸載完成后狀態(tài)

6 變形監(jiān)測

為更好地保證鋼桁架在整個提升及卸載過程中安全穩(wěn)定，需對鋼桁架進行相應(yīng)的變形監(jiān)測。在桁架樓面總拼完成后，桁架下弦桿件設(shè)置觀測點并貼上反射測量貼片，采用全站儀采集原始三維坐標。在鋼桁架提升、卸載及金屬屋面完成后共3個主要階段，對觀測點進行觀測記錄，整理結(jié)果并及時反饋至相關(guān)人員；如出現(xiàn)異常，經(jīng)相應(yīng)調(diào)整后方可進行下道工序施工。整個變形監(jiān)測過程，宜采用同一儀器和統(tǒng)一的控制點進行。

7 結(jié)語

鄭州南站屋蓋鋼桁架造型復(fù)雜、面積大、跨度大、桿件規(guī)格多且數(shù)量大，且承軌層正線高速鐵路運營等現(xiàn)場條件復(fù)雜，經(jīng)過分析，將分布在高架候車層樓面以上的屋蓋鋼桁架分為3個提升分區(qū)，通過樓面拼裝、分區(qū)提升、整體卸載施工技術(shù)，并利用3D3S，MIDAS Gen軟件仿真模擬分析和BIM技術(shù)工況預(yù)演，結(jié)果表明，施工方案可行且合理。