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鄭州東站站房鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

作者:任長林    
時間:2012-10-24 17:05:36 [收藏]
鄭州東站是全國最大的鐵路工程之一,其站房鋼結(jié)構(gòu)工程涉及的結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜,有78米大跨度,有高低跨的對接,有17米長的懸挑結(jié)構(gòu),也有玻璃幕墻結(jié)構(gòu),以及石材幕墻結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)。其構(gòu)件形式也十分多樣
    關(guān)鍵詞:
    摘 要:鄭州東站是全國最大的鐵路工程之一,其站房鋼結(jié)構(gòu)工程涉及的結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜,有78米大跨度,有高低跨的對接,有17米長的懸挑結(jié)構(gòu),也有玻璃幕墻結(jié)構(gòu),以及石材幕墻結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)。其構(gòu)件形式也十分多樣,有矩形鋼柱、圓管鋼柱、實腹梁、矩形桁架、H型鋼桁架、圓管桁架、鉸接斜撐、鑄鋼節(jié)點、正三角桁架、倒三角形桁架、四邊形桁架、形桁架等形式構(gòu)件。其安裝最大特點是吊機不能在地面進(jìn)行施工,整個安裝也不適合滑移技術(shù)的要求,因此本項目采用了主吊機高空作業(yè),屋面桁架高空組裝的技術(shù)解決了本項目中的難點。此項目難度之大、形象之深遠(yuǎn),皆可為后續(xù)工程提供難能可貴的經(jīng)驗。

     1、工程概況

          鄭州東站含兩家總包單位,兩家單位均為鐵道系統(tǒng)單位,我司上海寶冶集團有限公司承接了鄭州東站東區(qū)站房東區(qū)(P~X軸)鋼結(jié)構(gòu)以及雨棚南北(C~V軸)全部鋼結(jié)構(gòu)工程。由于站房鋼結(jié)構(gòu)工程量大,約為8萬噸,施工十分復(fù)雜,技術(shù)含量高,其中東區(qū)鋼結(jié)構(gòu)約為26000噸(不含9.4米以下勁形鋼柱),因此本文僅以站房東區(qū)(P~X軸)鋼結(jié)構(gòu)施工為例。

          鄭州東站位于鄭州市鄭東新區(qū),范圍是東風(fēng)東路以東、七里河南路以南、博學(xué)路以西、商鼎路以北所圍合的區(qū)域,是新建石武(石家莊-武漢)客運專線和徐蘭(徐州-蘭州)客運專線十字交匯樞紐,將匯集鐵路客運、公路客運、軌道交通、城市公交等多種交通方式,實現(xiàn)多種交通方式的有機銜接。

          東站站房建筑共三層,分別為地面層、站臺層和高架層(含高架夾層),站房主體建筑外墻東西進(jìn)深502.7m,南北面寬245.2m,站房主體最高點距離地面52.3m。32條火車軌道線從站臺層通過,站臺層高度為10.15米如圖1~3。
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    2:鄭州東站鋼結(jié)構(gòu)橫剖面圖

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    3:鄭州東站鋼結(jié)構(gòu)縱剖面圖


    2、工程特點、難點
          2.1、鋼管桁架的制作精度控制
          本工程屋蓋為管桁架結(jié)構(gòu),截面尺寸超大,支撐采取工廠散桿件加工,預(yù)拼裝解體后運輸?shù)浆F(xiàn)場,由現(xiàn)場進(jìn)行組裝。因此如何保證制作精度成為本工程制作的一大難點。
          2.2、站臺層上部鋼結(jié)構(gòu)的安裝
          站臺層上部鋼結(jié)構(gòu)體量非常大,結(jié)構(gòu)東西長186米(僅P~X軸)、南北寬245米,站臺層不能直接走吊機,外部吊裝吊機無法覆蓋這么大面積,給安裝帶來極大困難。
          2.3、高架層、夾層和屋面均有大跨度,胎架選型和材料準(zhǔn)備困難。
          2.4、胎架數(shù)量多、層次多,卸載存在困難
          本工程屋蓋桁架的安裝大量使用了支撐胎架,如何卸載、撤除支撐胎架,保證結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)大的結(jié)構(gòu)變形是本工程施工又一難點。
          2.5、拼裝和構(gòu)件堆放困難
          現(xiàn)場軌道層和鋼結(jié)構(gòu)安裝同步進(jìn)行,現(xiàn)場缺乏場地,構(gòu)件拼裝和構(gòu)件堆場困難。
         2.6、棧橋和坡道搭設(shè)
          由于吊機不能在地面層施工,吊機走位方向垂直軌道方向,因此需要為吊機搭設(shè)棧橋和坡道,棧橋搭設(shè)存在。
          2.7、吊機下車
          由于吊機上車是搭設(shè)坡道還有場地,下車時已經(jīng)沒有坡道搭設(shè)位置,下車存在困難。
          2.8、安裝組織困難
          由于結(jié)構(gòu)層數(shù)多,吊機不宜展開,土建等相關(guān)作業(yè)交叉嚴(yán)重,構(gòu)件不能直接運輸?shù)降跹b位置,因此安裝組織十分困難。
          3、安裝方案介紹及執(zhí)行過程
          由于制作在上海加工廠制作,因此方案主要介紹現(xiàn)場安裝施工的技術(shù)。站房鋼結(jié)構(gòu)安裝分三個水平層次,分別為:高架層、夾層、屋面,以及每層之間還有鋼柱。為了保證安裝,結(jié)合現(xiàn)場實際情況,做了以下幾個方面的準(zhǔn)備:
          3.1、 制定作業(yè)流水方向
          根據(jù)總包分工情況,以結(jié)構(gòu)平面圖P軸為界(第一版圖紙P軸為伸縮縫,第二版圖紙改在M軸),P~X軸為東區(qū),P~A軸為西區(qū),兩個區(qū)域安裝單位自行確定施工方案和施工順序。
          根據(jù)圖紙東區(qū)以18~19線中心線為對稱軸,站臺層、高架層、商業(yè)夾層、屋面均以18~19線中心線為對稱軸,高架層、商業(yè)夾層為框架結(jié)構(gòu),對吊裝順序沒有太多要求,各個方向均可以滿足吊裝,但是18~19線地面層有已經(jīng)施工完成的結(jié)構(gòu)部分,此部分不能承重,尤其是大吊機的荷載。其次,屋面為整體桁架,除了支撐桿,所有縱橫桁架均通過焊接連接成一起,另外屋面桁架數(shù)字軸線標(biāo)高一致,字母軸線桁架標(biāo)高有起伏,屋面也以18~19線中心線為對稱軸,因此我司決定以垂直于對稱軸方向為主桁架,以平行于對稱軸的桁架為次桁架,這樣有利于屋面桁架的安裝,見圖4。
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    鄭州東站站房鋼結(jié)構(gòu)施工 屋面結(jié)構(gòu)平面布置圖
     
    結(jié)合總包要求、結(jié)構(gòu)組成形式、地鐵站上方不能走吊機等現(xiàn)實因素,主吊機的吊裝吊裝方向也是從P向X軸進(jìn)行吊裝。這樣也避免相互交叉施工,相互制約的問題。
          3.2、 選定吊車
          選擇吊車主要考慮作業(yè)半徑、起重高度、以及起重量,因為本項目特殊要求,還需要考慮吊機自重、吊機外形、吊機爬坡能力。
          由于軌道層垂直與吊機行走路線,因此吊機必須在軌道層之上進(jìn)行行走施工,因此吊機的作業(yè)面標(biāo)高將高于10.15米。根據(jù)高架層鋼柱最重單件構(gòu)件為48噸,作業(yè)半徑可以盡量小;最高屋面建筑物標(biāo)高為52.3米,為南北方向主桁架,因此起重高度選擇為52米(構(gòu)件高度42米,鋼絲繩、吊鉤高度10米),作業(yè)半徑為22米~24米,構(gòu)件起重量控制在20噸。再結(jié)合資源情況,300噸和250噸吊機均能滿足使用要求,其中300噸吊機使用效率會高些,性能的安全儲備會更好,但是租賃價格會稍貴些,也是可以承受的,但是對棧橋樁基、基礎(chǔ)、棧橋承載力會提出更高的要求,總的成本會增加很多,因此本項目最終選用的還是250噸履帶吊。
          由于吊機要從地面標(biāo)高-1.5米標(biāo)高行走到10.15米以上,因此需要吊機進(jìn)行爬坡,根據(jù)各家吊機爬坡能力指數(shù),均控制在15~17度之間。后來根據(jù)現(xiàn)場道路和場地條件,在8~9線和28~29線分別搭設(shè)棧橋,坡度控制在9度。
          之所以考慮吊機自重,是因為重量越大對下部要求越高,因此選擇吊機首先選擇自重較輕的吊機,從多家吊機型號中最后選擇了日本住友SCX2500型和扶挖QUY250型,主臂選用60.2米,副臂選用24米,仰角30°,其自重基本均在210噸~220噸,考慮吊物,總重在250~260噸左右。
          之所以考慮日本住友SCX2500和扶挖QUY250型兩種型號,也是因為其外形尺寸,尤其是履帶寬窄和中心距基本一致,即履帶中心距均為6400mm,履帶寬度分別為1120mm,1200mm,履帶長度分別為7860mm、8188mm。
          3.3、 編制吊車行走棧橋通道方案;
          吊機規(guī)格、類型、走向確定之后,然后確定棧橋方案。棧橋方案主要涉及:樁基、承臺、立柱、柱平臺、轉(zhuǎn)彎平臺、走道路基箱,見圖5~6。
          3.3.1計算過程中假設(shè)的參數(shù)有:
          吊機全配重自重220噸
          吊機起重量主臂48噸,副臂20噸,不同時使用
          走道路基箱安裝2.4噸/米自重進(jìn)行計算,最終的選材基本控制在了2.0~2.2噸/米
          動載系數(shù)取1.4
          靜載系數(shù)取1.2
          棧橋最大跨度22米
          吊機履帶中心距為6400mm
          3.3.2選取計算模型
     
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    鄭州東站站房鋼結(jié)構(gòu)施工 上坡的計算模型

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    鄭州東站站房鋼結(jié)構(gòu)施工 雙跨棧橋模型
     

          3.3.3選取材料進(jìn)行試算
          材料主要采用公司廢料、余料,計算的參數(shù)主要有:
          構(gòu)件剛度計算:保證構(gòu)件撓度小于L/400。
    構(gòu)件強度計算:保證所有桿件應(yīng)力比不大于0.9,預(yù)留安全系數(shù)。
    構(gòu)件穩(wěn)定性計算:保證整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。
    最終選用的四肢格構(gòu)柱截面為H390*300*10*16,由于選用余料,因此材質(zhì)統(tǒng)一定為Q235B。余料截面慣性矩大于H390*300*10*16的材料均可使用;路基箱選用的是H700*300*13*21的截面,材質(zhì)統(tǒng)一定為Q235B,圖7如下:
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          柱頂平臺采用于H390*300*10*16的材料,大小為4.5M*8.4M,橫跨兩個柱(每件柱子四個柱腳,柱子中心距為6.4米,和吊機履帶中心距一致);轉(zhuǎn)換平臺(主要用于吊機進(jìn)行調(diào)頭位置)采用H700*300*13*21的截面,大小為11M*12M;
          樁選用直徑D=700mm鉆孔灌注樁,樁長L=23.0m,本圖中支架3(兩樁承臺下樁)均采用直徑D=700mm的鉆孔灌注樁;樁頂設(shè)置承臺,并進(jìn)行柱腳埋件預(yù)埋。
    棧橋設(shè)計頂部標(biāo)高為10.990米,高于站臺層840mm,。
          3.3.4棧橋制作、安裝
          樁和承臺由土建單位施工,棧橋制作和安裝由我司施工,見圖8~11。

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          棧橋的整個安裝過程采用250噸履帶吊安裝。安裝順序從里到外,滿足上坡之后既可以自行向前安裝。
          3.4、 高架層、夾層、屋面胎架材料
          胎架設(shè)置主要通過SAP2000計算剛度和穩(wěn)定性,我司采用了多種形式的胎架結(jié)構(gòu),有格構(gòu)式普通胎架,也有單管支撐租賃的胎架,經(jīng)過計算均滿足要求。
          支撐的設(shè)置關(guān)鍵是底部需要有承臺,頂部需要自行設(shè)置調(diào)節(jié)段(因為租賃的胎架高度為整數(shù)高度)和纜風(fēng)繩;從第二層高架層起,通向屋面的胎架設(shè)置轉(zhuǎn)換梁,以便于能從高架層直接樹立胎架,見圖12。

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    3.5、選擇構(gòu)件堆放及拼裝場地,編制大臨方案;
          大臨方案的編制主要設(shè)置考慮用水、用電、以及工人的正常生活,還有拼裝場地行車的行走路線,構(gòu)件的堆放,施工道路,門衛(wèi)等等。
    由于26000噸構(gòu)件需要堆放,現(xiàn)場又沒有場地,因此我部租賃了2塊場地,均在金水東路附近,合計面積20000余平米。
         現(xiàn)場構(gòu)件的拼裝,主要涉及屋面管桁架,以及玻璃幕墻,水槽、罩棚等等。拼裝首先需要構(gòu)件之間的關(guān)鍵定位尺寸,其次安裝關(guān)鍵尺寸搭設(shè)胎架,胎架需要定位準(zhǔn)確、牢固、安全、使用方便等特點。

    玻璃幕墻桁架結(jié)構(gòu)形式,桁架水平分五層,我司為了方便安裝,底部采用水平分度,上部采用我司為豎向分段。右圖為玻璃幕墻現(xiàn)場拼裝焊接過程中,其中節(jié)點部位均為鑄鋼件,我司采用藥性焊絲E501T-1,見圖13~14。
     

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    屋面管桁架拼裝全部在現(xiàn)場,我司根據(jù)桁架的形式制作了多種形式的胎架,右圖為倒三角形桁架的胎架。為了保證安裝精度,桁架在拼裝過程中即完成了預(yù)拼裝。

          3.6、 吊機下車
          吊機下車是采用高空解體法進(jìn)行的,即先租用300噸汽車吊,然后在場地東側(cè),地鐵基坑旁站位協(xié)助解體,并吊運到地面。解體步驟為:先拆除副臂、主臂;其次拆除配重;然后通過吊機自身千斤頂頂起吊車;拆除吊機兩側(cè)履帶;使用300噸汽車吊調(diào)運250噸吊機主體。
          具體見下頁附圖15~19。
     

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    圖15:棧橋及吊機行走布置圖


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          4、現(xiàn)場實際安裝實況照片
          在保證了前期準(zhǔn)備工作完成之后,所有工作即可轉(zhuǎn)到施工現(xiàn)場,現(xiàn)場采用了6臺250噸主吊機進(jìn)行同步作業(yè)。安裝進(jìn)行分區(qū)分層流水作業(yè),即吊機從P軸把構(gòu)件從上到下一次全部安裝完成再向后倒退,一直到退出作業(yè)區(qū)。
           5、總結(jié)
          一個項目的成敗關(guān)鍵看項目前期的組織策劃和技術(shù)準(zhǔn)備,技術(shù)準(zhǔn)備又是所有工作開展的基礎(chǔ)。一個好的技術(shù)方案不但節(jié)約有利于項目的實施,也能保證安全、質(zhì)量,也能節(jié)約成本,減少現(xiàn)場施工的工作量。本項目之所以能順利實施,除了公司及各個部門的大力配合,也和前期做了大量技術(shù)準(zhǔn)備及論證工作有關(guān)。 
          6、參考文獻(xiàn)
          【1】劉振興:建筑工程施工分部分項技術(shù)交底操作規(guī)范大全,銀聲音像出版社,2010年
          【2】北京土木建筑學(xué)會:鋼結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)措施,經(jīng)濟科學(xué)出版社,2005年6月
        
          第一作者簡介:任長林、男,1979年8月21日出生于陜西省興平市馬嵬鎮(zhèn)張村,就職于上海寶冶集團有限公司鋼結(jié)構(gòu)分公司,擔(dān)任本單位鄭州東站鋼結(jié)構(gòu)工程項目部主任工程師,二級建造師資質(zhì)。單位地址:上海市寶山區(qū)羅店工業(yè)園區(qū)羅新路305號,郵編:201900
     


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