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濟(jì)南西站大跨度鋼屋蓋施工技術(shù)

作者:金平 白海 郭劍 胡曉輝    
時(shí)間:2012-10-12 14:37:55 [收藏]
摘 要:濟(jì)南西站大跨度鋼屋蓋施工根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn),同時(shí)參考國內(nèi)其他項(xiàng)目成熟施工經(jīng)驗(yàn),采用了同步累積滑移施工技術(shù)。將滑移軌道布置在高架層樓板上,上部鋼柱及屋蓋同時(shí)滑移,最后整體卸載。實(shí)施過程中以理論分析
    關(guān)鍵詞:
    摘 要:濟(jì)南西站大跨度鋼屋蓋施工根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn),同時(shí)參考國內(nèi)其他項(xiàng)目成熟施工經(jīng)驗(yàn),采用了同步累積滑移施工技術(shù)。將滑移軌道布置在高架層樓板上,上部鋼柱及屋蓋同時(shí)滑移,最后整體卸載。實(shí)施過程中以理論分析為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)、安裝了系統(tǒng)的臨時(shí)加固措施,在滑移全過程進(jìn)行同步控制,保證了結(jié)構(gòu)的安全及安裝精度。相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)可供類似工程借鑒參考。
          1.前言
         
    我國大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)起步晚,基礎(chǔ)薄弱,但隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)和社會(huì)發(fā)展的需要,近年來也取得迅猛發(fā)展,大跨度鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越多。特別是2008年奧運(yùn)場館建設(shè)以及近年來各地涌現(xiàn)的鐵路、公路、航空等交通樞紐工程建設(shè)為我國大跨空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了舞臺(tái),同時(shí)也給建筑施工企業(yè)帶來巨大機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
          目前已完工并投入使用的濟(jì)南西站是京滬高速鐵路五個(gè)始發(fā)終到站之一,其大跨度站房鋼屋蓋采用了帶柱同步累積滑移技術(shù)。屋蓋滑移軌道鋪設(shè)在高架候車層樓面上,上柱與鋼屋蓋同時(shí)滑移,累計(jì)滑移9次,滑移完成后整體卸載。帶柱累積滑移施工場地占用小,高空作業(yè)量少,同步控制精度高。滑移內(nèi)容如下圖1框內(nèi)所示。
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    2.工程概況
    濟(jì)南西站站房II區(qū)高架候車廳部分鋼結(jié)構(gòu)屋蓋分為A、B、C三個(gè)區(qū)。A區(qū)寬116.4m,長99m;B區(qū)寬116.4m,長77.5m,C區(qū)寬107m,長25m。其中A區(qū)和B區(qū)結(jié)構(gòu)間有300mm的間隙。A、B區(qū)為空間管桁架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為41.600m,分別有5榀和4榀主桁架。主桁架長約116m,寬2.5m,高從2.5m到4.5m漸變,重約100噸,C區(qū)屋蓋為平面鋼架,跨度分別為24m、59m,上部鋼梁,系桿、支撐采用的截面有H型鋼,方管和圓管。II區(qū)整體軸測圖如下圖2所示:
     
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    鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主次桁架間相貫焊接,型鋼梁及斜撐等附屬桿件多采用螺栓連接,其中主桁架及型鋼梁,弧型梁等桿件均為弧形,加工、安裝難度較大。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)總重約3000噸,鋼材材質(zhì)均為Q345B.本工程高架候車廳以下鋼材材質(zhì)主要為Q345GJC,商業(yè)夾層及鋼屋蓋結(jié)構(gòu)鋼材材質(zhì)主要為Q345B。
          3.方案的選擇
          3.1 施工特點(diǎn)
          為了滿足鐵路旅客的不斷增多以及旅客對(duì)站房結(jié)構(gòu)美觀性及舒適性要求的不斷提高,鐵路站房工程具有以下特點(diǎn):
          (1)、屋蓋跨度較大、高度較高,并且同一站房屋蓋的結(jié)構(gòu)形式大體規(guī)則。
          (2)、施工交叉多。鋼結(jié)構(gòu)與土建、裝飾裝修等專業(yè)之間,站房與雨棚之間,站房與鐵路路線之間均存在大量的交叉作業(yè)。
          (3)、由于各地的人文地理與建筑效果要求上的差異,不同地區(qū)的站房結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)形式千差萬別。
          屋蓋施工方案的確定必須針對(duì)項(xiàng)目的特點(diǎn),包括結(jié)構(gòu)形式,場地條件,工期要求等,進(jìn)行分析比較,在確保質(zhì)量、安全的前提下,盡量做到節(jié)約成本,縮短工期。
          3.2 備選方案
          目前大跨度站房屋蓋施工常見的施工方法有:1、機(jī)械吊裝;2、滑移。其中機(jī)械吊裝又可分為跨內(nèi)吊裝與跨外吊裝。兩個(gè)方案各有優(yōu)缺點(diǎn),最終采用哪個(gè)需要經(jīng)過仔細(xì)比選,找出最適用的一個(gè)施工方案。
          (1)、跨外吊裝。大型吊機(jī)行走在站房結(jié)構(gòu)外圍,分段或整體吊裝屋蓋結(jié)構(gòu)。該施工方法我們在新建泉州站上成功使用。
          針對(duì)濟(jì)南西站結(jié)構(gòu)特點(diǎn),兩臺(tái)履帶吊行走在高架候車廳兩側(cè)雨棚位置。首先安裝高架層以上的立柱,然后利用兩臺(tái)履帶吊自東向西安裝主次桁架。主桁架分兩段,跨中設(shè)立支撐胎架,次桁架整體吊裝,附屬桿件高空散裝。
          (2)、跨內(nèi)吊裝。大型吊機(jī)行走在結(jié)構(gòu)內(nèi)部(由于高架候車層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力遠(yuǎn)比軌道層小,吊機(jī)一般行走在軌道層),采用流水施工的方式,依次安裝屋蓋結(jié)構(gòu),土建結(jié)構(gòu)后做。該施工方法我們在新建鄭州東站上成功使用。
    針對(duì)濟(jì)南西站結(jié)構(gòu)特點(diǎn),履帶吊在軌道層上行走吊裝,將屋蓋主桁架分成4段,并在軌道層上搭設(shè)高空支撐架,高空分段拼裝;次桁架整體吊裝,附屬桿件采用高空散裝的方式。
          (3)、整體滑移。將屋蓋結(jié)構(gòu)分成若干個(gè)滑移單元,利用同步滑移設(shè)備,推動(dòng)結(jié)構(gòu)在預(yù)設(shè)的滑移軌道上滑移,從拼裝位置滑移至設(shè)計(jì)位置,卸載后完成結(jié)構(gòu)施工。該施工方法我們在新建蘇州站上成功使用。
    針對(duì)濟(jì)南西站結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可在場地西側(cè)搭設(shè)高空操作平臺(tái),屋蓋桁架采用地面散件拼裝,高空整體拼裝的方式進(jìn)行安裝,在主次桁架就位后,完善其他構(gòu)件的連接后即可進(jìn)行滑移?;栖壍?條,鋪設(shè)在高架候車層樓面上,滑移時(shí)高架層鋼柱可與屋蓋同時(shí)進(jìn)行滑移,自西向東共滑移九次。
          3.3 方案確定
         
    在確保施工安全和質(zhì)量的前提下,方案的確定以兩點(diǎn)為主:工期和成本。濟(jì)南西站施工工期較緊,面臨著京滬高鐵按計(jì)劃時(shí)間節(jié)點(diǎn)通車的壓力,若采用機(jī)械吊裝的方式,需待軌道層結(jié)構(gòu)完全施工完畢后方可進(jìn)行屋蓋施工,且屋蓋吊裝過程中對(duì)土建和雨棚施工影響較大,對(duì)整體工期不利。而滑移施工的方式可以避免上述缺點(diǎn),大大節(jié)省工期。且若采取帶柱滑移的方式,還可大量減少現(xiàn)場高空作業(yè)量,降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)。但滑移施工技術(shù)難度大,施工復(fù)雜,對(duì)施工單位技術(shù)水平要求較高
          經(jīng)項(xiàng)目部仔細(xì)分析、比較,最終決定采用累積滑移施工技術(shù)進(jìn)行站房屋蓋的施工。
          4.滑移工藝
          4.1 滑移方法及特點(diǎn)

          首先平整N軸線西側(cè)的空地,讓其作為鋼結(jié)構(gòu)材料堆放以及桁架拼裝的場地。同時(shí)搭設(shè)的桁架高空拼裝平臺(tái),位置在N軸線和L軸線之間。屋蓋桁架的安裝采用地面散件拼裝,整體分段吊裝,高空補(bǔ)檔的方式進(jìn)行。平臺(tái)搭建完成后進(jìn)行主、次桁架地面整體拼裝,吊裝時(shí)主桁架分成4段吊裝,次桁架整體吊裝。在主次桁架就位后,連接其間的型鋼梁、檁條等構(gòu)件,焊接完就具備滑移的條件?;茣r(shí)高架層以上的鋼柱與屋蓋已成整體結(jié)構(gòu),鋼柱整體長度20m,自柱底到桁架下弦距離16m。現(xiàn)場施工布置見下圖3示意:
     
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    大跨度鋼屋蓋施工技術(shù)滑移施工地布置圖
     
    利用現(xiàn)有高架層9、10、13、14軸線混凝土梁作為軌道梁,由于鋼柱分段點(diǎn)高出樓板面1.2m,針對(duì)這個(gè)高差,我們采用在軌道下設(shè)型鋼梁的方式,型鋼面與下節(jié)鋼柱上表面齊平,型鋼截面選擇□1200*700*25*30的箱型梁,保證軌道鋪設(shè)后軌道面標(biāo)高平滑一致。軌道長約202m,最大的相鄰間距距離為59m?;品较蜃晕魍鶘|,滑移時(shí)上柱柱底直接落在軌道鋼上,滑移到位后利用液壓千斤頂頂起鋼柱后割除軌道鋼,即可進(jìn)行卸載。軌道布置平、立面圖見下圖4、圖5:
     
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    大跨度鋼屋蓋施工技術(shù)滑移軌道平面布置圖

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    根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),屋蓋結(jié)構(gòu)可分為9個(gè)拼裝單元,由于A區(qū)屋蓋與B區(qū)、C區(qū)屋蓋結(jié)構(gòu)之間留有變形縫,兩部分的結(jié)構(gòu)可以單獨(dú)進(jìn)行滑移。先在高空操作平臺(tái)上拼裝焊接完C區(qū)構(gòu)件,即滑移單元A,整體滑移一跨的距離;A單元滑走后,操作平臺(tái)上即可安裝B單元主桁架及中間次桁架、檁條等構(gòu)件,然后進(jìn)行下一次滑移。依據(jù)這一順序,B區(qū)全部拼裝完后,滑移12.3m,吊裝H軸線主桁架以及懸挑桁架,H,F(xiàn)間結(jié)構(gòu)通過臨時(shí)連桿連接成一個(gè)整體后再進(jìn)行滑移,滑移出一個(gè)柱距后,連桿脫開,B區(qū)、C區(qū)一次性滑移到位。接著拼裝、滑移A區(qū)屋蓋,依次施工,直至屋蓋整體滑移到位?;谱訬軸向A軸推進(jìn),共需滑移9次,前5次滑移將屋蓋B區(qū)、C區(qū)滑移到位,后四次僅滑移A區(qū),最長滑移距離約180m。
          由于為帶柱滑移施工以及使用混凝土梁為軌道梁,本工程較常規(guī)滑移施工存在以下特點(diǎn):
          (1)、滑移結(jié)構(gòu)重心高,經(jīng)計(jì)算可以得出重心處于屋蓋高度,距爬行器推動(dòng)點(diǎn)距離約有16m,存在頭重腳輕的現(xiàn)象。
          (2)、并排的四個(gè)爬行器由4個(gè)油泵控制,中間兩個(gè)相距59m。結(jié)構(gòu)上沒有聯(lián)系桿件,若同步控制不好,容易產(chǎn)出較大的位移差。
          4.2 技術(shù)保證措施
         
    帶柱滑移最關(guān)鍵的問題是解決鋼柱傳力,即如何保證滑移爬行器推動(dòng)點(diǎn)的作用力通過鋼柱合理的傳遞到整體結(jié)構(gòu)上,確保鋼柱、鋼屋蓋不會(huì)產(chǎn)生過大的變形。
    為此我們利用有限元分析軟件ansys分析得出40個(gè)柱腳位置的節(jié)點(diǎn)反力,發(fā)現(xiàn)僅僅依靠滑移結(jié)構(gòu)本身來傳統(tǒng)爬行器推力是不可取的,極可能產(chǎn)生局部應(yīng)力過大情況,對(duì)鋼柱、屋蓋結(jié)構(gòu)桿件、焊縫造成破壞,且會(huì)因?yàn)楹笈配撝频臏笮?,?dǎo)致前后鋼柱開襠被拉大,不利于最后滑移到位后與下節(jié)柱對(duì)接。為此,我們在爬行器頂推點(diǎn)上方500mm處安裝一根連桿(截面為400*16的圓管),連接前后鋼柱。并且間隔一跨,在鋼柱與連桿間焊接附加撐桿。措施布置圖如下6:
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    上述僅為沿軌道方向的保證措施,在垂直軌道方向,由于四列鋼柱間距為24m,59m,24m,滑移時(shí)同步控制不好會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn),影響結(jié)構(gòu)安全,不利于最終安裝精度的控制。為此,我們在鋼柱間增設(shè)了南北向的連桿,見下圖7所示。限于現(xiàn)場條件,中間跨無法安裝剛性連接結(jié)構(gòu),滑移過程中將通過同步控制來保證結(jié)構(gòu)安全。
     
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          經(jīng)過有限元分析軟件ansys分析計(jì)算,臨時(shí)措施有效的將推力傳遞至整體結(jié)構(gòu)上,避免結(jié)構(gòu)局部受力、變形過大??梢源_保施工過程結(jié)構(gòu)安全。
          5.整體卸載
          在屋蓋滑移到位后,進(jìn)行結(jié)構(gòu)卸載。卸載過程其實(shí)就是釋放臨時(shí)措施中的內(nèi)力,使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)獨(dú)自承擔(dān)自重及外部荷載。本工程卸載采取的是分級(jí)同步的思路,利用若干快鋼墊塊配合液壓千斤頂控制每步的卸載量,總卸載量為軌道鋼的高度,即140mm。卸載工藝圖見下圖8所示:
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    卸載的順序?yàn)椋合刃遁d中間軌道,后卸載兩邊的軌道,交錯(cuò)進(jìn)行,最終完成整個(gè)屋蓋卸載作業(yè)。為保證施工的安全,對(duì)卸載的過程需全程監(jiān)控,并且采取特殊的技術(shù)措施。
          (1)、卸載前要仔細(xì)檢查各支撐點(diǎn)的連接情況,確保各個(gè)臨時(shí)固定措施已經(jīng)斷開,屋蓋沒有附加的約束。
          (2)、卸載前應(yīng)先通過軟件計(jì)算好支撐點(diǎn)上屋面的變形量與反力,再確定千斤頂?shù)囊?guī)格。
          (3)、卸載時(shí)要統(tǒng)一部署,保證同步進(jìn)行,嚴(yán)格執(zhí)行卸載的操作規(guī)程,不得進(jìn)行其他作業(yè)。
          (4)、卸載時(shí)要全程跟蹤測量和監(jiān)控。
          為確保卸載的過程安全以及避免實(shí)際卸載下?lián)隙戎蹬c計(jì)算值出現(xiàn)較大的差別,在卸載的過程中安排兩臺(tái)全站儀進(jìn)行監(jiān)測,用于及時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整卸載步驟和單位卸載量,并詳細(xì)記錄卸載過程結(jié)構(gòu)變化。
    當(dāng)卸載完成時(shí),屋面變形也全部完成,此時(shí)屋蓋的重量由其自身承擔(dān),支撐架不再承受荷載,主體結(jié)構(gòu)完成施工。
          6.總結(jié)
           濟(jì)南西站屋蓋施工既參考了其他項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn),又針對(duì)工程特色進(jìn)行創(chuàng)新,采用帶柱滑移技術(shù),并設(shè)計(jì)一系列的臨時(shí)措施保證滑移過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。帶柱滑移相比常規(guī)的柱頂滑移而言,減少了大量的高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),操作人員在樓面上即可完成軌道安裝,滑移設(shè)備調(diào)試等作業(yè),方便進(jìn)行同步性控制及最后的卸載作業(yè),提高了工程施工質(zhì)量。
    本項(xiàng)目施工方案的比選、確定、實(shí)施過程科學(xué)、合理,僅用45天完成3000余噸結(jié)構(gòu)的安裝滑移作業(yè),平均5天滑移一次,取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,相關(guān)施工技術(shù)可供類似項(xiàng)目施工借鑒參考。
          參考文獻(xiàn) 
          1. 楊立龍,張景新:鄭州新鄭國際機(jī)場鋼結(jié)構(gòu)滑移施工技術(shù),中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)四屆四次理事會(huì)暨2006年全國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2006年 
          2. 鮑廣鑒,郭彥林,李國榮,王煦,陳國棟,劉濤:廣州新白云國際機(jī)場航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體曲線滑移施工技術(shù),建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2002年05期
          3. 周忠明:大跨度鋼桁架胎架整體曲線滑移施工技術(shù),重慶大學(xué), 2002
          4. 張同波:大跨度鋼結(jié)構(gòu)高空滑移施工方法,施工技術(shù), 2004
          第一作者簡介
          金平、男,1984年9月出生,籍貫:浙江省常山縣,就職于上海寶冶集團(tuán)有限公司鋼結(jié)構(gòu)分公司,擔(dān)任本單位濟(jì)南西客站鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目部主任工程師。單位地址:上海市寶山區(qū)羅店工業(yè)園區(qū)羅新路305號(hào),郵編:201900
     

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