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新建石家莊站站房鋼拱橋結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)

作者:王策 高永祥    
時間:2012-10-19 10:59:43 [收藏]
本文結(jié)合新建北京至石家莊鐵路客運專線石家莊站站房鋼結(jié)構(gòu)工程實際,通過對大跨度鋼拱橋結(jié)構(gòu)、鋼桁架結(jié)構(gòu)在站房高架層上進行散拼吊裝施工方法的分析與應(yīng)用,在結(jié)構(gòu)施工過程中取得了良好的效果。在全國大跨度
    關(guān)鍵詞:新建石家莊站站房 鋼拱橋結(jié)構(gòu)工程施工
    本文(新建石家莊站站房鋼拱橋結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù))結(jié)合新建北京至石家莊鐵路客運專線石家莊站站房鋼結(jié)構(gòu)工程實際,通過對大跨度鋼拱橋結(jié)構(gòu)、鋼桁架結(jié)構(gòu)在站房高架層上進行散拼吊裝施工方法的分析與應(yīng)用,在結(jié)構(gòu)施工過程中取得了良好的效果。在全國大跨度拱橋鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)中有所突破(站房高架層上施工),同時為類似結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展與進步起到推動作用。
          1.前言
          大跨度鋼結(jié)構(gòu)近年來在國內(nèi)發(fā)展迅速,主要應(yīng)用于大型廠(庫)房、飛機機庫、火車站、大型場館等跨度要求較高的建筑,如圖1。主要采用焊接球網(wǎng)架、鋼桁架、重型鋼結(jié)構(gòu)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。針對不同的結(jié)構(gòu)形式,如何采用更加科學(xué)的施工方法,對大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、安全、進度以及施工成本的有效控制在現(xiàn)階段顯得尤為重要。
          2.工程概況
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     新建北京至石家莊鐵路客運專線石家莊站站房鋼結(jié)構(gòu)工程,主站房總長413m(A-Y軸),寬202m(M1-M16軸)。支撐體系為6榀連續(xù)拱橋結(jié)構(gòu),拱橋跨度分別為49.6m、53.5m 、64.35m、76.5m、64.35m、53.5m、49.6m,拱身的矢高均為17m;所有組成拱橋結(jié)構(gòu)支撐體系的拱身、拱肋、橫梁等構(gòu)件形式均為箱型鋼構(gòu)件,具體參下表,參見圖2。
     
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    屋蓋結(jié)構(gòu)主要為“倒三角”形式的管桁架,主桁架垂直于下部拱橋布置,連接6榀拱橋結(jié)構(gòu),形成5跨連續(xù)空間管桁架體系,每榀主桁架總長度為202m,最大單榀桁架跨度60m,見圖3。
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    站房鋼拱橋結(jié)構(gòu)工程施工:站房拱橋桁架連接示意圖

    3.施工重點難點分析及相應(yīng)對策
          3.1.確保既有線運行安全
          新建石家莊站站房工程施工過程中,京廣鐵路上下行線照常運行,如何確保既有線路和后期撥線運行線路的安全,是鋼結(jié)構(gòu)安裝工程控制的重點,同時也是一個十分棘手的施工難點。
          對策:在鋼結(jié)構(gòu)安裝初期,在運行線路上方搭設(shè)安全防護棚,安全防護棚從站房向南北無柱雨棚內(nèi)延伸30m,盡量減少高架層上吊裝對既有線路的影響;
          在吊裝臨邊鋼結(jié)構(gòu)拱橋時(M1和M16軸),將吊裝前的所有準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備就緒,并利用現(xiàn)場機械進行空載模擬吊裝,與建設(shè)指揮部溝通,選擇白天既有線路上沒有列車通過的時間段(最長無車時段為2個小時)進行吊裝作業(yè)。
          3.2.拱橋結(jié)構(gòu)安裝、桁架安裝
          站房總長413m,寬202m,高架層標(biāo)高9.4-9.8m,高架層下方軌道施工與裝修施工同時進行。因此,高架層上鋼結(jié)構(gòu)拱橋、立柱、橫梁、桁架安裝是本工程控制的重點,同時施工方法及機械選擇也是施工難點。
          對策:選擇最不利工況分別進行機械在吊裝不同構(gòu)件過程中的模擬計算,經(jīng)過計算后滿足高架層混凝土結(jié)構(gòu)所承受荷載要求。將50T履帶吊吊至高架層上進行吊裝作業(yè),采用鋪設(shè)路基箱的安全措施并按規(guī)定線路行駛施工。(前提是樓面預(yù)應(yīng)力張拉完成)
          高架層構(gòu)件吊裝時,根據(jù)構(gòu)件的不同位置、不同重量、不同形式,分別采用單機或雙擊抬吊作業(yè)施工。拱橋構(gòu)件利用XSTEEL軟件計算出構(gòu)件的重心,設(shè)置吊點并選擇合理的吊索具,25T以上的構(gòu)件須采用雙機抬吊;采用單機吊裝是,計算出鋼絲繩的長度,以便安裝就位順利。
          桁架吊裝前,利用MIDAS有限元計算軟件,根據(jù)每榀桁架的不同跨度、不同吊裝方法、不同規(guī)格重量以及后期預(yù)估的施工荷載,計算出桁架的位移值,根據(jù)位移值和相關(guān)經(jīng)驗進行桁架拼裝預(yù)起拱,以防止桁架吊裝后下?lián)匣驌隙冗^大。
          3.3.工期控制
          站房鋼結(jié)構(gòu)施工過程中,既有線路正常運營,并經(jīng)過春運、暑運等特殊運營時期。為確保正常運營并滿足春、暑運運力,本工程的既有線路有兩次撥線的時間窗口。為確保撥線順利,高架層結(jié)構(gòu)施工、高架層既有線上方鋼結(jié)構(gòu)施工的施工工期控制也是重中之重。
          對策:高架層上拱橋結(jié)構(gòu)施工所必備的履帶吊、胎架工裝、支撐標(biāo)準(zhǔn)節(jié)必須提前安排好,并合理布置高架層施工平面平臺,預(yù)留大型構(gòu)件水平運輸通道、履帶吊行走吊裝通道、桁架拼裝場地等。履帶吊的吊次需滿足安裝需要。
          在高架層上施工,構(gòu)件的水平運輸是制約構(gòu)件安裝進度的關(guān)鍵,因此需要地面上150T履帶吊向高架層送料,利用卷揚機和滑輪組通過滑移軌道將構(gòu)件滑移至安裝區(qū)域,由于每臺履帶吊作業(yè)需要2x6m的路基箱8塊,作業(yè)占地范圍較大,且行走需要倒運路基箱,行走作業(yè)距離較短且相對較慢,6道拱橋安排6臺50T履帶吊在高架層,遠不能滿足吊次需要。為此,為本工程特別定制了兩臺ME-40T-55.35m的龍門吊,龍門吊橫跨M3-M7和M10-M14軸線,為構(gòu)件水平運輸和吊裝作業(yè)提供了有力的支持。
    4.施工方案的實施
          4.1工程實際概況
          根據(jù)鐵路局和建設(shè)指揮部撥線安排,在高架層混凝土結(jié)構(gòu)施工完成以前,原京廣上行線要撥線至29道,為此,現(xiàn)場為29道開通搭設(shè)了剛性防護結(jié)構(gòu),用于滿足上部混凝土結(jié)構(gòu)和高架層鋼結(jié)構(gòu)施工要求,站房南北兩側(cè)無柱雨棚已經(jīng)施工完成,29道于2011年1月順利開通如圖4、5。
          為了工程整體部署,安排將京廣上、下行線于6月中旬全部撥至25-28道。為此,需要在2個月內(nèi)將臨近既有線的鋼結(jié)構(gòu)全部吊裝完畢。
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    4.2施工準(zhǔn)備
          4.2.1.拱橋結(jié)構(gòu)分段設(shè)計
          所有組成拱墻結(jié)構(gòu)的拱身、拱上鋼柱(拱肋)、橫梁等構(gòu)件均為箱型鋼構(gòu)件,以W-T軸拱橋分段為例:拱身分為6段,最重構(gòu)件32.1t;立柱共計22段,最重構(gòu)件9.35t;橫梁共計6段,重10.7t,如下圖6所示。
     
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          4.2.2.拱橋吊裝施工機械選擇布置
          (1)、M1、M16邊跨拱橋結(jié)構(gòu)(臨近既有線施工)機械選擇布置:
    第1段、第2段拱身及其上方立柱橫梁選用150t履帶,42m主臂工況進行吊裝作業(yè),吊裝回轉(zhuǎn)半徑14m,14m回轉(zhuǎn)半徑150t履帶額定吊裝荷載為40.9t,最重構(gòu)件吊重27.6t,滿足吊裝安全要求,吊裝工況見圖7、8。
     
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    因29道上方雨棚網(wǎng)殼已經(jīng)安裝完畢,不具備跨外吊裝條件,故采用兩臺50t履帶在高架層樓板上進行雙機抬吊第3段、第4段,雙機抬吊選用50t履帶25m主臂工況,雙機回轉(zhuǎn)半徑控制在6m,雙機額定最大起重量之和為46.46t,按降效80%計算,起重能力為37.17t,滿足吊裝安全要求,如圖9~12。
     
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    50t履帶單機吊裝第5段、第6段,25m主臂工況5.5m回轉(zhuǎn)半徑額定最大起重量為26.56t;
     
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    T-W軸拱墻立柱及橫梁吊裝單元最重構(gòu)件為13.3t,立柱與其連接的屋面桁架桿件拼裝成整體吊裝,選用50t履帶在高架層樓板上單機吊裝,選用37米主臂工況,回轉(zhuǎn)半徑8m,額定起重能力14.9t。
     
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    (2)、M2-M15軸線中間跨拱橋結(jié)構(gòu)機械選擇布置:
          M2-M15軸拱墻不具備跨外吊裝條件,故采用兩臺50t履帶在高架層樓板上進行雙機抬吊W-T拱身(第4段、第5段、第6段)和S-R拱身(第3段),雙機抬吊選用50t履帶25m主臂工況,雙機回轉(zhuǎn)半徑控制在6m,雙機額定最大起重量之和為46.46t,按降效80%計算,起重能力為37.17t,滿足吊裝安全要求,如圖13~14。
     
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      4.2.3.拱墻安裝支撐系統(tǒng)設(shè)計
          (1)、臨近既有線拱橋結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計
          每榀拱墻在安裝過程中,均需在拱身分段處增加臨時剛性支撐節(jié),如圖15~19。并在設(shè)置兩組側(cè)向雙支撐,保證吊裝和就位后的豎向及側(cè)向穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在場外拼成一段,使用塔吊整體吊裝。
     
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    (2)、非臨近既有線拱橋結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計
     
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    4.2.4.構(gòu)件水平運輸做法
          由于站房拱墻構(gòu)件單體較重,塔吊無法滿足現(xiàn)場構(gòu)件水平運輸要求。為確保高架層M3-M14軸線拱身構(gòu)件順利運輸至安裝位置,現(xiàn)場采用滑移的施工方法,在指定位置鋪設(shè)軌道,軌道內(nèi)使用4組移運器,利用卷揚機作為牽引裝置進行構(gòu)件的單體滑移,如圖20。
     
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    9.4m高架層平臺與9.8m平臺過渡做法參照圖20;9.8m平臺軌道直接將【36a槽鋼鋪設(shè)在樓面上,下方鋪設(shè)腳手板以保護樓面并增大受力面積,為防止軌道發(fā)生側(cè)向位移,將軌道之間做好支撐并與樓面上的地錨做好加固。
          當(dāng)構(gòu)件滑移無法就位到起吊位置時,構(gòu)件在高架層樓板上的水平運輸選用50t履帶單機吊裝或雙擊抬吊向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)臂倒運構(gòu)件,并要求在水平運輸過程中50t履帶必須空載行走,構(gòu)件倒運時保證構(gòu)件最低點距高架層樓板30cm以內(nèi);
          4.3拱橋安裝方法及流程
          4.3.1拱橋結(jié)構(gòu)拱身預(yù)拼裝
     
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          在寬闊平整的場地上,按1:1比例測放拱橋結(jié)構(gòu)軸線、輪廓線和分段口控制線,按照軸線的形狀布置鋼胎架或鋼馬凳、鋼胎架上表面要經(jīng)過超平觀測;根據(jù)測放的控制線將拱橋按分段順序在地面進行預(yù)拼裝見圖21,預(yù)拼裝過程中要注意觀察胎架的變化并及時糾偏。
          預(yù)拼裝完成后,檢查預(yù)拼總體情況,著重檢查對接接口情況,對拱身外形尺寸、弦高、對接接口間隙等進行驗收并記錄,在拱身對接接口處做好標(biāo)記,以便拱身吊裝就位時尺寸控制。
          4.3.2拱腳結(jié)構(gòu)安裝
          高架層混凝土結(jié)構(gòu)強度達到75%后,即可以開始安裝拱腳結(jié)構(gòu);拱腳單體分段重量不超過10t,50t履帶吊在高架層滿足施工要求,如圖22;(此時混凝土結(jié)構(gòu)支撐未拆除,預(yù)應(yīng)力未張拉)
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          4.3.3支撐體系安裝
          標(biāo)準(zhǔn)節(jié)安裝就位時用纜風(fēng)繩拉結(jié),以保證側(cè)向穩(wěn)定;使用L75×6角鋼剛性連接兩道豎向支撐與側(cè)向支撐,形成三角形穩(wěn)定支撐體系;每組支撐節(jié)間用【12.6槽鋼水平拉結(jié),見圖23~25。


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          流程2:用150t履帶吊裝第2段拱身、50t履帶單機吊裝第5段拱身;
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          安全措施:高架層混凝土澆筑完強度達到80%以上履帶開始在高架層作業(yè),50t履帶樓板上作業(yè)鋪設(shè)路基箱;高架層混凝土澆筑完畢后在29道正上方放線,保證履帶在鋼防護兩側(cè)吊裝作業(yè),29道上方履帶空載通過;見圖26~27。
          流程3:用兩臺50t履帶雙機抬吊第4段拱身;
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    流程4:用兩臺50t履帶雙機抬吊第3段拱身,整體拱身合攏安裝完畢;
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    第3段、第4段安裝安全措施:
          構(gòu)件吊裝:將構(gòu)件運輸?shù)街付ㄎ恢?,?gòu)件起鉤過程中,始終保證構(gòu)件與側(cè)向支撐間距在10cm以內(nèi),并在構(gòu)件端部安置安全繩,保證在構(gòu)件吊裝過程中的側(cè)向穩(wěn)定,起升就位后將構(gòu)件水平向前送到位,在其下方為豎向支撐結(jié)構(gòu),外側(cè)仍為側(cè)向支撐,保證構(gòu)件的側(cè)向和豎向安全;見圖28~29。
    在構(gòu)件正下方樓板滿鋪路基箱,避免墜落擊穿樓板。
     
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    流程5:焊接,拱身共計7個焊接接口,采取對稱跳焊的原則,第一次先焊接①③⑤⑦節(jié)點對接焊縫,第二次焊接②⑥節(jié)點對接焊縫,最后焊接④節(jié)點對接焊縫。
     
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    安全措施:焊接作業(yè)面用腳手架搭設(shè)封閉的焊接操作平臺,起到防風(fēng)、防止焊渣飛濺、防火的作用。另外,也為防止焊接火花過大給通過列車造成影響,使列車司機誤認為是危險信號;
          為控制焊接變形見圖30,拱身焊接采用2人2機同時對稱焊接的方法進行箱型構(gòu)件的焊接,同一構(gòu)件的兩個端接口不得同時焊接;
     
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    流程6:用150t履帶吊裝①-⑥段立柱,50t履帶單機吊裝其余立柱。將立柱與其連接的屋面桁架桿件拼裝成為一體,整體吊裝;見圖31~32.
     
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    流程7:用50t履帶單機吊裝橫梁,第2-5段橫梁與立柱拼成整體吊裝;
     
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    4.3.5拱橋結(jié)構(gòu)安裝龍門吊的使用
          為滿足高架層上拱橋結(jié)構(gòu)吊次要求,以解決履帶吊行走緩慢、行走需要倒運路基箱、施工作業(yè)占地面積過大、吊次不滿足、水平運輸麻煩等問題,根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)特點,特別為本工程定制了兩臺ME-40T-55.35m型號的龍門吊,兩臺龍門吊可橫跨M3-M7和M10-M14軸線,最大單機起重能力40噸,滿足四道拱橋結(jié)構(gòu)施工和兩跨桁架吊裝施工;見圖32~34。
          由于龍門吊跨度55.35m,自身高度31m,在高架層上安裝難度和安裝周期較長,在本工程前期的高架層鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中,由于涉及京廣線撥線的時間窗口,龍門吊暫時未安裝,待撥線后,龍門吊經(jīng)過組拼安裝、穿線、調(diào)試、試吊驗收等環(huán)節(jié)后,迅速投入到結(jié)構(gòu)安裝中去,極大的緩解了高架層結(jié)構(gòu)安裝進度慢的壓力。
     
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    4.3.6拱橋結(jié)構(gòu)卸載
          待單跨拱橋所有桿件及合攏點接口焊縫全部焊接并探傷合格后,提前24小時申請報驗,驗收合格后進行支撐卸載。
          卸載采用分級卸載,卸載原則:同步、分級、緩慢;
          (1)載卸
          焊接完畢檢測合格后,拆除接口處高強度螺栓,在豎向支撐下方分別設(shè)置4臺50噸千斤將拱身頂緊,將支撐工裝與拱身連接部分切開,使由工裝承受荷載轉(zhuǎn)為由千斤頂承受荷載,并將工裝影響卸載的部分全部切除,參圖35~36.
     
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    (2)卸載過程測量監(jiān)控
          卸載順序:②-⑥-③-⑤-④,如下圖:
     
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          卸載時,需用全站儀全程進行跟蹤;在卸載前,布置測量監(jiān)控點,監(jiān)控點主要選在卸載點、拱墻中心、拱身拼接接口處,在確定的監(jiān)控點上貼反光片,并記錄相對空間坐標(biāo),在卸載過程中,隨時觀測各個監(jiān)控點的位移變化情況。
          卸載千斤,拱墻卸載完畢,最后拆除千斤頂、工裝及豎向支撐。
          經(jīng)過實際監(jiān)測:53.5m跨度的拱橋卸載前后,Z向位移最大值為-3mm,現(xiàn)場所有拱橋設(shè)計要求拱中心起拱30mm;
          4.4屋面桁架安裝
          對每一榀桁架按照其自重和預(yù)加施工荷載進行撓度計算,根據(jù)計算值并不同的安裝方法以及類似施工經(jīng)驗,在桁架小拼和中拼過程中進行預(yù)起拱,預(yù)起拱值的確定需與設(shè)計溝通并最終確定。
          站房高架層的屋面桁架全部為“倒三角”形式的桁架,最大跨度60m,最小跨度16m,桁架的安裝標(biāo)高為34.2m,相對于高架層安裝高度為24.4-24.8m。
          根據(jù)桁架的不同位置、不同跨度、不同重量,桁架吊裝采用50T履帶單機吊裝、50t履帶雙機抬吊、龍門吊單機吊裝等多種方法,采用任何機械和吊裝形式,每榀桁架最好都設(shè)置4個吊點,吊點位置須在節(jié)點位置;見圖37。

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    4.5結(jié)構(gòu)安裝相關(guān)計算
          結(jié)構(gòu)安裝的每一步都離不開安裝工況計算,工況計算滿足要求是結(jié)構(gòu)安裝的有力保證。本工程針對不同安裝工序、步驟進行了多方面的工況計算,主要如下:
          拱橋結(jié)構(gòu)安裝模擬計算;(第一吊至合攏結(jié)束)
          拱上鋼柱、橫梁安裝模擬計算;
          拱橋結(jié)構(gòu)卸載計算;
          高架層支撐加固計算;
          高架層滿堂紅支撐驗算;(取履帶吊、龍門吊施工最不利工況,未考慮預(yù)應(yīng)力張拉)
          高架層無支撐驗算;(取履帶吊、龍門吊施工最不利工況,考慮預(yù)應(yīng)力張拉)
          屋面鋼桁架撓度計算;(確定預(yù)起拱值)
          5.結(jié)論
          通過以上施工技術(shù)、措施的應(yīng)用,保證了臨近既有線鋼結(jié)構(gòu)施工安全無事故,確保了京廣正線按期順利撥線;拱橋施工中的支撐體系為我公司自有物資,在本工程中被充分利用,降低了項目成本;該施工方法實施,有效的解決了拱橋結(jié)構(gòu)在分段吊裝過程中水平推力過大的不利情況,所有拱橋結(jié)構(gòu)的安裝精度均符合規(guī)范要求;在站房高架層上布置龍門吊進行鋼結(jié)構(gòu)施工尚屬首次,定制龍門吊滿足結(jié)構(gòu)吊裝和高架層上構(gòu)件水平倒運的需求,由于軌道布置在梁上,對高架層結(jié)構(gòu)影響較小,非常適合本工程鋼結(jié)構(gòu)施工;
          通過對大跨度鋼拱橋結(jié)構(gòu)在高架層上施工技術(shù)的探究以及在新建石家莊站站房鋼結(jié)構(gòu)工程實際中的應(yīng)用,為我國大跨度鋼拱橋結(jié)構(gòu)體系在施工過程中的工藝、方法等多方面增添了些許寶貴的經(jīng)驗,為類似結(jié)構(gòu)提供珍貴的施工技術(shù)參考。
          參 考 文 獻
          [1]中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會.《建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊》.中國計劃出版社.2002(1)
          [2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》.中國計劃出版社.2002.
          [3]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》.中國建筑工業(yè)出版社.2002
          作者簡介:王策(1982-),北京市機械施工有限公司,助理工程師.
          聯(lián)系地址:北京市西城區(qū)南禮士路15號(100045)
     

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