廣汕高速鐵路新塘站站房南北側曲面網架結構施工關鍵技術*

貢宏要,盛旭東,王 瑋,張家興,王靜峰,齊文奇,李貝貝

(1.中鐵四局集團建筑工程有限公司,安徽 合肥 230022;2.合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引言

隨著我國經濟快速發展,越來越多的火車站站房、體育館、展覽館等投入建設,這些建筑的屋蓋結構普遍采用空間網架結構[1-2],如杭州國際博覽中心和嶺南明珠體育館等建筑。大跨度空間網架結構具有方便施工、便于維修、通風和透光性能好等優點。但在實際施工中,網架結構邊界條件、受力和變形響應會隨著施工進度發生變化,加之施工環境、天氣因素和人為操作等影響,使網架結構施工存在一定安全風險。而且網架結構相較于平面結構更復雜,拼裝困難,容易導致結構安裝出現缺陷,甚至出現安全隱患。

目前,國內外學者對空間網架結構施工技術等進行了諸多分析和研究。為降低空間網架結構在施工過程中的安全風險,確保結構受力體系平穩轉變,施工過程中需設置支撐胎架[3],支撐胎架的設置與卸載方式影響施工安全和網架結構穩定性。此外,網架拼裝和合龍精度控制[4]是空間網架結構施工時需要解決的難題。目前,針對大跨度空間網架結構常用的施工方法有高空散拼法[5]、滑移法[6]、分塊吊裝法[7]等。高空散拼法受場地限制較小,對大型機械要求較低,但該方法需要搭設大量散拼支架,高空作業多,施工進度緩慢?；品稍讵M窄施工環境下施工,施工進度快,但不適用于結構復雜的空間網架結構。分塊吊裝法將結構分成區域塊,在平臺上拼裝,施工效率高,施工進度較快,且在吊裝過程中易控制,能有效保障焊接質量和施工安全。

廣汕高速鐵路新塘站站房屋蓋為大跨度空間結構,其中南、北兩側屋蓋為曲面網架結構,施工精度要求高。本文根據其結構特點,從施工方案比選、施工全過程仿真模擬、支撐胎架卸載及溫度效應的影響等方面系統分析施工關鍵技術,保障該結構系統在施工過程中的安全性和穩定性。

1 工程概況

新塘站站房位于廣州市增城區新塘鎮站前路與環城路之間,是廣州鐵路樞紐“五主三輔”中的東區樞紐中心,站房效果如圖1所示。新塘站站房建筑外觀設計融入了掛綠荔枝和白仙瀑布等文化主題,體現了廣州當地深厚的文化和歷史底蘊,如圖2所示。

圖1 新塘站站房效果Fig.1 Station building effect of Xintang Station

圖2 建筑外觀Fig.2 Architectural appearance

新塘站站房屋蓋為三維曲面造型,采用網架-桁架混合結構。其中南、北側屋蓋結構采用空心球節點正放四角錐網架,中部屋蓋結構采用三角錐形桁架,桁架最大跨度為68m,網架最大跨度為54m,網架結構平面投影最大尺寸為300m×30m,南、北側網架幾乎對稱分布,屋蓋結構形式如圖3所示。本文研究對象為南、北側網架結構。

圖3 站房屋蓋結構示意Fig.3 The station roof structure

新塘站站房屋蓋支撐在圓鋼管混凝土柱上,柱截面尺寸為1 500mm×40mm,內填C40混凝土。網架結構材料均為熱軋無縫鋼管,主要桿件尺寸如表1所示。

表1 網架結構主要桿件尺寸與材質Table 1 Dimensions and materials of main members of the grid structure

2 施工重難點分析

1)網架結構面積大,設備大多位于站臺層、地面層,網架拼裝施工及夾層鋼柱安裝設備位于地面層。吊裝設備行走路線、堆場布置對樓板加固措施影響較大,是本工程施工考慮的重點。

2)屋蓋為非對稱超大曲面空間網架系統,最大尺寸30m,施工過程中精度控制和精準合龍是施工難點。

3)依據屋蓋網架結構特點,為保證施工安全和精度需設置格構式胎架作為支撐措施,支撐胎架定位及卸載為施工重難點。

為解決以上施工重點和難點,對多種施工方案進行對比分析,并在其基礎上采用有限元分析軟件MIDAS對施工全過程中的關鍵工況進行仿真模擬。

3 施工方案

3.1 施工方案比選

根據新塘站站房特點及工程重難點,從施工方案的可行性、先進性、安全性和經濟性方面對比網架結構施工方案,如表2所示。

表2 施工方案比選Table 2 Comparison and selection of construction plans

1)方案1 分塊吊裝法。先將曲面網架結構屋蓋劃分為多塊吊裝單元,采用汽車式起重機站位于9.900m站房樓板和16.900m東側站區道路上進行分塊吊裝和就位后的焊接拼裝,隨后吊裝各分塊網架間的后補桿件,嵌補隨網架單元吊裝的進展逐步插入。拼裝吊裝單元無需高大的支撐胎架,高空作業少,高空焊接量少,拼裝質量易保證。

2)方案2 滑移法。網架在16.900m東側站區道路上設置拼裝平臺進行拼裝,區域塊拼裝完畢后,下落至滑移軌道,向前滑移至預期位置。然后再在拼裝平臺拼裝下一個區域塊,拼裝完成后滑移至預定位置與上一區域塊合龍。如此往復拼裝合龍,直至網架施工完畢。

3)方案3 高空散拼法。在設計位置安裝拼裝支架,采用起重設備將曲面網架結構屋蓋各構件吊至拼裝支架處,在拼裝支架上進行高空焊接拼裝,適用于多種復雜施工場地,但工期緩慢,高空作業多。

經過方案對比,新塘站站房屋蓋采用分塊吊裝法進行施工。

3.2 施工工況

新塘站站房屋蓋整體采用從東向西分塊吊裝施工順序,局部區域采用從西向東施工順序,如圖4,5所示,施工便捷,工序可交叉,縮短工期。

圖4 北側網架施工平面布置Fig.4 Construction layout plan of the north side grid

圖5 南側網架施工平面布置Fig.5 Construction layout plan of the south side grid

4 施工全過程仿真模擬

為保證工程施工質量及施工安全,采用有限元分析軟件MIDAS Gen對曲面網架結構屋蓋施工過程進行仿真模擬[8],通過各工況下網架結構應力和豎向位移響應評估施工方案的合理性。

計算模型共5 661個結點、17 382個單元;弦桿、腹桿及連接系桿等構件均采用梁單元,均為Q355B鋼材,鋼材強度設計值為295MPa。模型如圖6所示。模型中僅考慮施工荷載,取1.3倍結構自重。根據現行國家標準GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[9]規定應滿足如下要求：鋼構件應力限值為295MPa、網架結構受彎構件撓度容許值為L/400(L為網架結構跨度)。

圖6 北側網架有限元分析模型Fig.6 Finite element analysis model of the north side grid

4.1 模擬分析

為了計算便捷,選取8種典型施工工況作為模擬分析對象。利用MIDAS Gen定義每種工況邊界條件、荷載、結構類型,模擬施工全過程。8種工況下網架和支撐胎架應力及變形如表3所示。其中工況5,12模擬結果分別如圖7,8所示。

表3 網架結構典型工況模擬分析結果Table 3 Simulation analysis results of typical construction cases of grid structure

圖7 施工工況5模擬結果Fig.7 Simulation results of construction case 5

圖8 施工工況12模擬結果Fig.8 Simulation results of construction case 12

4.2 支撐胎架卸載方案比選

4.2.1模擬分析

為提高施工效率和保障施工安全,網架在吊裝過程中需設置支撐胎架(見圖9),作為結構未成型前的臨時支撐。安裝支撐胎架時,底座通過預埋件固定,構件均為Q235B鋼材。其中標準節、底層節和調整節構件截面尺寸均為φ219×10,橫綴桿、斜綴桿、橫隔截面尺寸均為φ76×5,底座規格為HN450×200×8×12,底座連系梁規格為HW300×150×6×9。

圖9 支撐胎架Fig.9 The support bed-jig

支撐胎架在卸載過程中會引起網架結構受力體系變化,如果卸載方案不合理,可能會出現構件超應力或大變形等安全隱患。根據支撐胎架卸載過程中網架結構豎向位移和應力值,對不同卸載方案進行比對。

為簡化計算和提高計算效率,選取豎向位移變化最大區域塊(1,2,H1,3,4,H2號)作為網架結構屋蓋支撐胎架卸載的模擬分析對象,如圖10所示。

圖10 支撐胎架卸載有限元模型Fig.10 Finite element model of unloading forsupport bed-jig

4.2.2千斤頂單元法

采用千斤頂單元法模擬支撐胎架卸載[10]。在網架結構和支撐胎架間設置只受壓單元模擬支撐胎架頂部千斤頂,將該單元軸向剛度設為無窮大,采用施加溫度荷載方法控制千斤頂單元豎向變形,從而模擬支撐胎架卸載直至脫離網架結構的情況。

4.2.3卸載方案

1)方案1(等比例卸載) 每階段支撐胎架卸載20%位移量,分為5個階段,即每個階段各支撐胎架卸載的豎向位移均為理想狀態下卸載總量的20%[11]。

2)方案2(等位移卸載) 每階段支撐胎架卸載3mm,分為5個階段,即每階段所有支撐胎架豎向位移為-3mm。

3)方案3(逐個卸載) 每個步驟卸載1個支撐胎架,分為16個步驟,順序如圖11所示。

圖11 支撐胎架卸載順序Fig.11 Unloading sequence of support bed-jig

卸載方案分析結果對比如表4,5所示。由表4,5可知,對于等位移卸載和等比例卸載方案,最大豎向變形逐步增大,最大應力整體呈下降趨勢,且相鄰工況間的最大應力和最大豎向變形相差不大,差值較為均勻。對于逐個卸載方案,最大豎向變形在最后2種工況中陡增,最大應力整體呈先增大再減小趨勢,且相鄰工況間的應力相差較大。從施工效率和安全性角度考慮,等位移卸載方案合理,本項目采用該方案進行卸載。

表4 等位移卸載和等比例卸載分析結果Table 4 Analysis results of equal displacement unloading and equal proportion unloading

表5 逐個卸載分析結果Table 5 Analysis results of unloading one by one

4.3 溫度效應

新塘站工程施工時間跨度較大,宜考慮溫度變化對施工階段的影響。根據施工時期的氣溫,按溫度變化的極端情況施加溫度荷載模擬溫度變化[12]。

表6 溫度效應分析結果Table 6 Analysis results of temperature effect

4.4 精度控制

1)焊接 為確保焊接精度,從中部向兩端進行焊接。焊接順序為：下弦桿→上弦桿→下弦腹桿→上、 下弦間腹桿。焊接每進行一個階段便測量桁架撓度和側向變形,以確保焊接精度。

2)網架拼裝 網架結構構件拼裝定位測量精度會影響整個結構安全性和穩定性。根據胎架底座位置和胎架尺寸,采用全站儀定位每個胎架位置,并用水準儀對胎架標高進行調整,確保胎架標高保持一致,保證拼裝精度。

3)網架吊裝 按照4點吊裝方式進行吊裝,每個吊點使用鋼絲繩加手拉葫蘆,利用手拉葫蘆進行調整,使其到達預定位置。待與既有構件焊接完成,確保連接可靠后,再完全卸除吊繩。

5 結語

1)曲面網架結構采用分塊吊裝法,采用整體從東向西、局部從西向東的吊裝施工順序,包括支撐胎架安裝和卸載,完成結構受力體系的轉變。

2)曲面網架結構吊裝過程中,桿件最大應力為69.49MPa,最大變形為21.12mm,滿足現行國家規范要求。

3)支撐胎架卸載過程中,等位移卸載和等比例卸載時結構豎向變形和應力變化較平緩,逐個卸載時結構豎向變形和應力變化較跳躍,不宜采用逐個卸載方案。

4)考慮溫度作用時,施工過程中晝夜溫差引起的應力變化達66MPa,豎向位移變化達11mm。在施工過程中宜考慮溫度變化的影響。