上海金山铁路站厅波浪形钢屋盖安装技术

陈 坚

1. 同济大学土木工程学院 上海 200092；2. 上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 工程概况

金山火车站位于上海市金山区山阳镇金山新城。站区面积约1.6 hm。金山火车站南站房东西长约144 m，南北宽约39 m，屋盖结构设计形式颇似海鸥。钢结构屋盖主要包括4 根钢管柱和波浪形桁架结构钢屋盖。杆件类型主要为圆钢管，钢材主要采用Q345B，钢板厚度最小为6 mm，最大为35 mm。钢结构总质量约400 t。

1.1 钢柱

除两侧混凝土柱外，中间大跨度部位共有4 根圆钢管柱，钢管柱两端均为铰接形式。其中位于D轴的钢柱配合幕墙向南成9°角单向倾斜。

1.2 钢屋面

南站房钢屋盖整体呈波浪形，中部最高点约23 m，并向南侧呈弧形悬挑8 m。钢屋盖有3 个波形，中间波高约8.3 m，两侧波高约4.8 m。屋盖采用双向主次钢桁架，桁架高度约2 m，上下弦杆及腹杆杆件均采用圆形钢管。大跨度屋盖上表面布置交叉支撑，以提高钢屋盖的平面内刚度，主次桁架间通过焊接节点连接（图1）。

图1 钢屋盖立面

2 工程难点分析

2.1 施工条件较差

因本工程临近正在营运的铁路轨道线，对施工安全管理的要求特别高，在火车开行时，铁轨上方及安全区域都禁止进行任何施工作业，这对工程安全管理带来很大的难度，大大延缓了施工进程。

2.2 波浪形桁架空间定位要求高

钢屋盖平面、立面都为波浪形，形成空间三维曲面管桁架结构形式，主次桁架通过焊接连接。由于钢管曲线弧度不同、管壁较薄，每榀桁架焊接节点较多，且南侧10～13轴间桁架最大悬挑跨度为8 m，各种因素造成了曲线屋面空间定位难度较高，这对测量校正工作提出了很高的要求。

2.3 管桁架临时固定困难

管桁架采取分段吊装时，在形成相对稳定的系统之前，单榀桁架都必须在操作空间狭窄的混凝土柱顶进行临时固定，必须采取有效的固定措施确保桁架的稳定。

2.4 卸载过程受力系统转换复杂

钢屋面中间大跨度的管桁架使用铰接节点的钢管柱支撑，在桁架形成整体结构前，钢管柱不得作为受力杆件。为确保屋面整体的稳定和系统的柔性变性，设计了承重脚手架以临时支撑桁架。钢管柱安装时，要采取有效临时固定措施，确保在卸载过程受力系统的有效转换。

3 施工工艺选择

为确保整个施工过程的安全实施，经过方案综合比较，本工程采用行走式塔吊跨外分段由两侧向中间安装曲线管桁架，以全站仪三维空间定位。对于施工过程中的承重脚手架和临时固定等措施，专门进行了设计，并选择合理的形式。选用安装设备为：1 台M440D行走式塔吊作为安装主机，1 台25 t汽车吊作为安装辅机。

钢结构安装及吊装顺序如图2、图3所示。

图2 钢结构安装立面

图3 钢屋盖桁架吊装顺序

4 主要技术措施

4.1 行走式塔吊基础加固

M440D行走式塔吊的轨道，一侧置于消防室外首层板边侧的自然地面上，另一侧置于－3.4 m标高的施工便道上。为保证塔吊的安全行走，对置于自然地面一侧的轨道基础进行了加固处理。沿全轨道长度由下而上依次为：第1道先铺设宽3 500 mm、 厚400 mm大石块，用100 kN级振动式压路机先后用静载和动载将石块基础压实，第2道铺设宽2 500 mm、厚450 mm的道渣，压路机压实。最后，在道渣之上铺设宽1 800 mm 、厚250 mm细石，再用压路机压实并找平，以确保地基承载力满足行走式塔吊的要求。施工便道一侧则通过铺摊黄砂找平，最终确保两轨道基础顶面标高相同。

4.2 桁架吊装过程计算[1-3]

根据桁架不同的截面型式，使用MIDAS对桁架进行整体建模，分别计算吊装过程中的变形及应力计算，最后决定主桁架采用四点吊方案（图4）。

图4 桁架吊装示意

4.3 钢屋盖桁架测量定位

先由总包方提交一套首级控制网，经复核符合精度要求后，依此建立钢结构安装工程用（平面、高程）控制网。布网过程中，在首级控制点上分别架设全站仪，角度观测四测回；超过3 个方向时，采用全圆观测；距离采用往返测；精测时间选用早上和傍晚2 个温度大致相等的时间段进行；外业工作结束后，进行严密平差；用精密水准仪通过闭合导线进行高程控制点引测，在钢结构施工区域引测3 个高程控制点，以此形成高程控制网；所测得数据由监理验收合格后，完成钢结构平面和高程控制网的布设。

钢桁架为空间结构，联系节点较多，由加工厂直接运至现场或在现场拼装的桁架都必须进行预检工作。故预检前应先根据所需预检桁架的深化图，计算出各个节点的尺寸，预检时复核各个节点的相对关系，比较其实测值和设计值，符合精度要求的方可安装。

桁架在安装时，直接在控制点使用全站仪对桁架基准点进行三维空间定位。桁架采用液压千斤顶校正，校正定位后，先临时固定。为了确保钢桁架的侧向稳定，在主桁架临时固定后，相邻主桁架之间次桁架应及时安装固定，以形成节间稳定体系。

4.4 混凝土柱顶桁架临时固定措施[4,5]

混凝土柱顶主桁架通过牛腿直接焊接在柱顶埋件上，且主桁架高约2 m。因此在单榀主桁架精确定位后、次桁架尚未安装及形成稳定结构前，必须采取有效的临时固定措施，使得主桁架能够固定牢靠。本施工现场在主桁架两侧使用20#槽钢形成夹具对主桁架进行固定，槽钢根部固定在埋件上（图5）。

图5 主桁架临时固定立面和平面示意

4.5 钢管柱临时定位措施[4,5]

南站房候车大厅4 根高16 m的钢管柱两头为铰接形式。两根斜钢柱配合幕墙向南成9°角单向倾斜，与钢屋盖连接，斜度难以控制；2 根钢直柱顶与钢屋盖铰接且标高+6.5 m处北侧有雨棚牛腿与雨棚钢梁连接，使钢直柱定位过程中而受到偏心影响。故在安装时采取对垂直钢管柱和斜柱分别采取针对性定位安装临时固定措施，以保证后续钢屋盖桁架的安装。

4.5.1 垂直钢管柱临时固定

2 根钢直柱北侧有雨棚牛腿与雨棚钢梁连接，使钢直柱定位过程中受到偏心影响。因此，在现场采取了有效的临时固定措施（图6）。

图6 垂直钢管柱临时固定措施

安装前，先进行柱脚固定临时措施构件的安装。钢柱吊装时，利用柱顶两端牛腿，采用两点吊装，将钢柱安装在固定措施构件内，用水准仪控制柱顶标高，经纬仪进行垂直度控制，并在柱顶拉设3 根缆风绳以调节三维坐标。校正到位后，钢柱与钢环间用钢楔垫实，缆风绳用倒链抽紧固定。

4.5.2 斜钢柱安装及其承重脚手架设计

2 根斜钢柱配合幕墙向南成9°角单向倾斜，且上下两端都采用铰接节点。在钢屋面形成整体结构前，倾斜钢柱将无法受力。我们遂在施工现场设计了承重脚手架，并对安装桁架时的承重脚手架应力和变形情况进行了计算分析，以确保安装过程的质量和安全。在倾斜钢管柱校正完毕后，使用承重脚手配合缆风绳固定，来保证安装定位的精度（图7）。

图7 承重脚手架

4.6 焊接质量控制

本工程临近东海，施工现场风比较大且空气湿度也比较大，为此，根据现场环境和钢管桁架的特点进行了专项焊接工艺试验。共选择CO2气体保护焊和手工电弧焊2 种不同的焊接方法进行焊接，并经试验段焊接，结合施工进度、质量和安全方面综合比较，最后确定了屋面钢桁架焊接使用手工电弧焊，并制定了有效的焊接作业指导书。

现场焊工严格按照焊接作业指导书进行焊接，焊缝外观质量验收后进行了超声波无损检测。现场一级焊缝共878 条，一次合格872 条，一次合格率99.3%，经一次返修后全部合格。业主委托第三方采用超声波无损检测结果也都为一次通过，合格率100%。

4.7 桁架卸载[6]

钢屋盖由东、西两侧对称安装至中间合拢段，在合拢段安装、焊接完后再进行钢屋盖的整体卸载。屋盖卸载前，在桁架上设置了卸载变形监测基准点，测量员对南站房无柱区域合拢段桁架进行侧向弯曲、垂直度和扰度等数据定期监测，确认了结构的自身变形情况。在卸载过程中，实时监测基准点的变形情况，整个卸载过程安全可靠。屋盖系统主、次桁架形成整体体系卸载后，基准点变形最大值为5 mm，符合规范要求，在可控范围之内。

5 结语

根据上海铁路金山站波浪形大跨度管桁架钢屋盖工程的实施结果来看，无论是吊装机械选择、安装工艺还是临时支撑设计等，都有效地保证了钢管桁架安装的顺利进行，确保了施工的质量和安全要求。临时支撑卸载过程中结构传力明确，屋架整体结构变形均保持在允许范围之内，顺利实现了由临时支撑到永久支撑的转化。同时运用计算机仿真分析技术，确保了在管桁架吊装过程中和搁置后的临时支撑及承重脚手架的安全性，相关施工技术可供后续类似的工程借鉴（图8、图9）。

图8 桁架现场

图9 金山站屋面施工完成