上海金山鐵路站廳波浪形鋼屋蓋安裝技術(shù)

陳 堅(jiān)

1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092；2. 上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 工程概況

金山火車站位于上海市金山區(qū)山陽鎮(zhèn)金山新城。站區(qū)面積約1.6 hm。金山火車站南站房東西長(zhǎng)約144 m，南北寬約39 m，屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式頗似海鷗。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主要包括4 根鋼管柱和波浪形桁架結(jié)構(gòu)鋼屋蓋。桿件類型主要為圓鋼管，鋼材主要采用Q345B，鋼板厚度最小為6 mm，最大為35 mm。鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約400 t。

1.1 鋼柱

除兩側(cè)混凝土柱外，中間大跨度部位共有4 根圓鋼管柱，鋼管柱兩端均為鉸接形式。其中位于D軸的鋼柱配合幕墻向南成9°角單向傾斜。

1.2 鋼屋面

南站房鋼屋蓋整體呈波浪形，中部最高點(diǎn)約23 m，并向南側(cè)呈弧形懸挑8 m。鋼屋蓋有3 個(gè)波形，中間波高約8.3 m，兩側(cè)波高約4.8 m。屋蓋采用雙向主次鋼桁架，桁架高度約2 m，上下弦桿及腹桿桿件均采用圓形鋼管。大跨度屋蓋上表面布置交叉支撐，以提高鋼屋蓋的平面內(nèi)剛度，主次桁架間通過焊接節(jié)點(diǎn)連接（圖1）。

圖1 鋼屋蓋立面

2 工程難點(diǎn)分析

2.1 施工條件較差

因本工程臨近正在營(yíng)運(yùn)的鐵路軌道線，對(duì)施工安全管理的要求特別高，在火車開行時(shí)，鐵軌上方及安全區(qū)域都禁止進(jìn)行任何施工作業(yè)，這對(duì)工程安全管理帶來很大的難度，大大延緩了施工進(jìn)程。

2.2 波浪形桁架空間定位要求高

鋼屋蓋平面、立面都為波浪形，形成空間三維曲面管桁架結(jié)構(gòu)形式，主次桁架通過焊接連接。由于鋼管曲線弧度不同、管壁較薄，每榀桁架焊接節(jié)點(diǎn)較多，且南側(cè)10～13軸間桁架最大懸挑跨度為8 m，各種因素造成了曲線屋面空間定位難度較高，這對(duì)測(cè)量校正工作提出了很高的要求。

2.3 管桁架臨時(shí)固定困難

管桁架采取分段吊裝時(shí)，在形成相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)之前，單榀桁架都必須在操作空間狹窄的混凝土柱頂進(jìn)行臨時(shí)固定，必須采取有效的固定措施確保桁架的穩(wěn)定。

2.4 卸載過程受力系統(tǒng)轉(zhuǎn)換復(fù)雜

鋼屋面中間大跨度的管桁架使用鉸接節(jié)點(diǎn)的鋼管柱支撐，在桁架形成整體結(jié)構(gòu)前，鋼管柱不得作為受力桿件。為確保屋面整體的穩(wěn)定和系統(tǒng)的柔性變性，設(shè)計(jì)了承重腳手架以臨時(shí)支撐桁架。鋼管柱安裝時(shí)，要采取有效臨時(shí)固定措施，確保在卸載過程受力系統(tǒng)的有效轉(zhuǎn)換。

3 施工工藝選擇

為確保整個(gè)施工過程的安全實(shí)施，經(jīng)過方案綜合比較，本工程采用行走式塔吊跨外分段由兩側(cè)向中間安裝曲線管桁架，以全站儀三維空間定位。對(duì)于施工過程中的承重腳手架和臨時(shí)固定等措施，專門進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并選擇合理的形式。選用安裝設(shè)備為：1 臺(tái)M440D行走式塔吊作為安裝主機(jī)，1 臺(tái)25 t汽車吊作為安裝輔機(jī)。

鋼結(jié)構(gòu)安裝及吊裝順序如圖2、圖3所示。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)安裝立面

圖3 鋼屋蓋桁架吊裝順序

4 主要技術(shù)措施

4.1 行走式塔吊基礎(chǔ)加固

M440D行走式塔吊的軌道，一側(cè)置于消防室外首層板邊側(cè)的自然地面上，另一側(cè)置于－3.4 m標(biāo)高的施工便道上。為保證塔吊的安全行走，對(duì)置于自然地面一側(cè)的軌道基礎(chǔ)進(jìn)行了加固處理。沿全軌道長(zhǎng)度由下而上依次為：第1道先鋪設(shè)寬3 500 mm、 厚400 mm大石塊，用100 kN級(jí)振動(dòng)式壓路機(jī)先后用靜載和動(dòng)載將石塊基礎(chǔ)壓實(shí)，第2道鋪設(shè)寬2 500 mm、厚450 mm的道渣，壓路機(jī)壓實(shí)。最后，在道渣之上鋪設(shè)寬1 800 mm 、厚250 mm細(xì)石，再用壓路機(jī)壓實(shí)并找平，以確保地基承載力滿足行走式塔吊的要求。施工便道一側(cè)則通過鋪攤黃砂找平，最終確保兩軌道基礎(chǔ)頂面標(biāo)高相同。

4.2 桁架吊裝過程計(jì)算[1-3]

根據(jù)桁架不同的截面型式，使用MIDAS對(duì)桁架進(jìn)行整體建模，分別計(jì)算吊裝過程中的變形及應(yīng)力計(jì)算，最后決定主桁架采用四點(diǎn)吊方案（圖4）。

圖4 桁架吊裝示意

4.3 鋼屋蓋桁架測(cè)量定位

先由總包方提交一套首級(jí)控制網(wǎng)，經(jīng)復(fù)核符合精度要求后，依此建立鋼結(jié)構(gòu)安裝工程用（平面、高程）控制網(wǎng)。布網(wǎng)過程中，在首級(jí)控制點(diǎn)上分別架設(shè)全站儀，角度觀測(cè)四測(cè)回；超過3 個(gè)方向時(shí)，采用全圓觀測(cè)；距離采用往返測(cè)；精測(cè)時(shí)間選用早上和傍晚2 個(gè)溫度大致相等的時(shí)間段進(jìn)行；外業(yè)工作結(jié)束后，進(jìn)行嚴(yán)密平差；用精密水準(zhǔn)儀通過閉合導(dǎo)線進(jìn)行高程控制點(diǎn)引測(cè)，在鋼結(jié)構(gòu)施工區(qū)域引測(cè)3 個(gè)高程控制點(diǎn)，以此形成高程控制網(wǎng)；所測(cè)得數(shù)據(jù)由監(jiān)理驗(yàn)收合格后，完成鋼結(jié)構(gòu)平面和高程控制網(wǎng)的布設(shè)。

鋼桁架為空間結(jié)構(gòu)，聯(lián)系節(jié)點(diǎn)較多，由加工廠直接運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)或在現(xiàn)場(chǎng)拼裝的桁架都必須進(jìn)行預(yù)檢工作。故預(yù)檢前應(yīng)先根據(jù)所需預(yù)檢桁架的深化圖，計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的尺寸，預(yù)檢時(shí)復(fù)核各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)關(guān)系，比較其實(shí)測(cè)值和設(shè)計(jì)值，符合精度要求的方可安裝。

桁架在安裝時(shí)，直接在控制點(diǎn)使用全站儀對(duì)桁架基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行三維空間定位。桁架采用液壓千斤頂校正，校正定位后，先臨時(shí)固定。為了確保鋼桁架的側(cè)向穩(wěn)定，在主桁架臨時(shí)固定后，相鄰主桁架之間次桁架應(yīng)及時(shí)安裝固定，以形成節(jié)間穩(wěn)定體系。

4.4 混凝土柱頂桁架臨時(shí)固定措施[4,5]

混凝土柱頂主桁架通過牛腿直接焊接在柱頂埋件上，且主桁架高約2 m。因此在單榀主桁架精確定位后、次桁架尚未安裝及形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)前，必須采取有效的臨時(shí)固定措施，使得主桁架能夠固定牢靠。本施工現(xiàn)場(chǎng)在主桁架兩側(cè)使用20#槽鋼形成夾具對(duì)主桁架進(jìn)行固定，槽鋼根部固定在埋件上（圖5）。

圖5 主桁架臨時(shí)固定立面和平面示意

4.5 鋼管柱臨時(shí)定位措施[4,5]

南站房候車大廳4 根高16 m的鋼管柱兩頭為鉸接形式。兩根斜鋼柱配合幕墻向南成9°角單向傾斜，與鋼屋蓋連接，斜度難以控制；2 根鋼直柱頂與鋼屋蓋鉸接且標(biāo)高+6.5 m處北側(cè)有雨棚牛腿與雨棚鋼梁連接，使鋼直柱定位過程中而受到偏心影響。故在安裝時(shí)采取對(duì)垂直鋼管柱和斜柱分別采取針對(duì)性定位安裝臨時(shí)固定措施，以保證后續(xù)鋼屋蓋桁架的安裝。

4.5.1 垂直鋼管柱臨時(shí)固定

2 根鋼直柱北側(cè)有雨棚牛腿與雨棚鋼梁連接，使鋼直柱定位過程中受到偏心影響。因此，在現(xiàn)場(chǎng)采取了有效的臨時(shí)固定措施（圖6）。

圖6 垂直鋼管柱臨時(shí)固定措施

安裝前，先進(jìn)行柱腳固定臨時(shí)措施構(gòu)件的安裝。鋼柱吊裝時(shí)，利用柱頂兩端牛腿，采用兩點(diǎn)吊裝，將鋼柱安裝在固定措施構(gòu)件內(nèi)，用水準(zhǔn)儀控制柱頂標(biāo)高，經(jīng)緯儀進(jìn)行垂直度控制，并在柱頂拉設(shè)3 根纜風(fēng)繩以調(diào)節(jié)三維坐標(biāo)。校正到位后，鋼柱與鋼環(huán)間用鋼楔墊實(shí)，纜風(fēng)繩用倒鏈抽緊固定。

4.5.2 斜鋼柱安裝及其承重腳手架設(shè)計(jì)

2 根斜鋼柱配合幕墻向南成9°角單向傾斜，且上下兩端都采用鉸接節(jié)點(diǎn)。在鋼屋面形成整體結(jié)構(gòu)前，傾斜鋼柱將無法受力。我們遂在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)了承重腳手架，并對(duì)安裝桁架時(shí)的承重腳手架應(yīng)力和變形情況進(jìn)行了計(jì)算分析，以確保安裝過程的質(zhì)量和安全。在傾斜鋼管柱校正完畢后，使用承重腳手配合纜風(fēng)繩固定，來保證安裝定位的精度（圖7）。

圖7 承重腳手架

4.6 焊接質(zhì)量控制

本工程臨近東海，施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)比較大且空氣濕度也比較大，為此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和鋼管桁架的特點(diǎn)進(jìn)行了專項(xiàng)焊接工藝試驗(yàn)。共選擇CO2氣體保護(hù)焊和手工電弧焊2 種不同的焊接方法進(jìn)行焊接，并經(jīng)試驗(yàn)段焊接，結(jié)合施工進(jìn)度、質(zhì)量和安全方面綜合比較，最后確定了屋面鋼桁架焊接使用手工電弧焊，并制定了有效的焊接作業(yè)指導(dǎo)書。

現(xiàn)場(chǎng)焊工嚴(yán)格按照焊接作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行焊接，焊縫外觀質(zhì)量驗(yàn)收后進(jìn)行了超聲波無損檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)一級(jí)焊縫共878 條，一次合格872 條，一次合格率99.3%，經(jīng)一次返修后全部合格。業(yè)主委托第三方采用超聲波無損檢測(cè)結(jié)果也都為一次通過，合格率100%。

4.7 桁架卸載[6]

鋼屋蓋由東、西兩側(cè)對(duì)稱安裝至中間合攏段，在合攏段安裝、焊接完后再進(jìn)行鋼屋蓋的整體卸載。屋蓋卸載前，在桁架上設(shè)置了卸載變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)量員對(duì)南站房無柱區(qū)域合攏段桁架進(jìn)行側(cè)向彎曲、垂直度和擾度等數(shù)據(jù)定期監(jiān)測(cè)，確認(rèn)了結(jié)構(gòu)的自身變形情況。在卸載過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的變形情況，整個(gè)卸載過程安全可靠。屋蓋系統(tǒng)主、次桁架形成整體體系卸載后，基準(zhǔn)點(diǎn)變形最大值為5 mm，符合規(guī)范要求，在可控范圍之內(nèi)。

5 結(jié)語

根據(jù)上海鐵路金山站波浪形大跨度管桁架鋼屋蓋工程的實(shí)施結(jié)果來看，無論是吊裝機(jī)械選擇、安裝工藝還是臨時(shí)支撐設(shè)計(jì)等，都有效地保證了鋼管桁架安裝的順利進(jìn)行，確保了施工的質(zhì)量和安全要求。臨時(shí)支撐卸載過程中結(jié)構(gòu)傳力明確，屋架整體結(jié)構(gòu)變形均保持在允許范圍之內(nèi)，順利實(shí)現(xiàn)了由臨時(shí)支撐到永久支撐的轉(zhuǎn)化。同時(shí)運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)，確保了在管桁架吊裝過程中和擱置后的臨時(shí)支撐及承重腳手架的安全性，相關(guān)施工技術(shù)可供后續(xù)類似的工程借鑒（圖8、圖9）。

圖8 桁架現(xiàn)場(chǎng)

圖9 金山站屋面施工完成