大跨度放射伞状空间桁架的分块安装监理

杨志龙

（山西省建设监理有限公司， 山西 太原 030012）

1 工程概况

太原南站设计主旨为“唐风晋韵”，屋盖结构造型体现了唐朝之风，外墙装饰蕴含着晋韵之美(见图 1)，充分体现了山西太原作为一个历史文化名城的独特气质，成为佐证太原历史神韵与现代气息完美结合的标志性建筑。

图1 太原南站整体效果图

太原南站钢结构屋盖建筑造型为 48 个放射伞状结构单元组成的三个独立屋盖。其中 A、B 轴线间为结构 A 区，包含两排伞单元结构，C 至 G 轴线间为结构 B 区，共 5 排伞单元结构，H 轴线为结构 C 区，包含 1 排伞单元结构(见图 2)。A、C 区屋盖最高点标高为 30.80 m，B 区屋盖最高点标高为35.80 m，站房屋盖总投影面积约 8.8 万 m2，屋盖用钢量 1.2万 t。钢结构总重量 4.5 万 t。

图2 太原南站站房分区图

太原南站屋盖每一个伞状单元结构体系皆由大跨度放射空间桁架构成。其组成主要为：柱顶节点、四角放射状主桁架，主桁架间联系次桁架三大部分。柱顶节点下弦截面为 □700×700×30，上弦截面为 □350×300×16，腹杆截面主要为 □250×250×10、◇300×300×10；主桁架下弦为 □700×700×12～□700×500×12 变截面箱梁，上弦杆主要为 □350×300×12、□350×200×10、□250×200×10，腹杆主要为 □250×250×10、□200×200×8、□180×180×8；次桁架截面主要为 □200×150×8、□150×150×8、φ102×5、φ83×4 等(见图3)。

图3 单元伞结构形式图

2 工程特点

2.1 现场安装精度要求高

太原南站屋盖安装采取在地面拼装后整体吊装的方式，屋面主桁架与屋面分块分别单独拼装成整体后进行吊装。太原南站屋盖安装时先进行主桁架的安装后进行屋面分块的安装，在安装精度的控制上主要对主桁架采取精确的测量定位，屋面分块安装时根据主桁架的位置直接安装。因此在进行屋面安装过程中对屋面主桁架的安装精度要求极高，如偏差过大很容易造成屋面分块无法安装。

2.2 屋面分块吊装难度大

太原南站屋面吊装分块最大尺寸为长 42.8 m，宽 23 m，最大重量达 25 t。由于拼装场地的限制，在吊装过程中履带吊需提着构件行走至吊装地点，在行走过程中容易导致屋面分块发生变形；同时由于屋面分块尺寸过大，在使用大型履带吊吊装过程中容易发生卡杆等情况。太原南站屋面分块多拼装为不规则三角形分块进行整体吊装，在进行分块吊装挂钩时不易找到构件的重心，从而无法保证构件在吊装时的基本水平，增加了高空安装时对接难度。

2.3 屋面结构自重大，安装吊装半径大

太原南站站房中部设计有跨度为 18 m 的地下旅客通道，在进行旅客通道上部屋面主桁架及分块安装过程中由于吊车无法行走在地下通道区域进行吊装，面临着构件自重大，吊装半径过大，超出大型履带吊起重范围等难题。

2.4 钢结构卸载难度大、技术含量要求高

钢结构安装后，结构平面尺度较大，且同时存在一定的高差，对如此空间大跨度结构，卸载具有卸载点分布广、点数多、同比卸载量变化大及单点卸载吨位大、主体结构和支撑结构的内力重新分布、几何非线性强的特点，卸载难度极大。同时在卸载过程中还面临着如何控制卸载的同步、临时支撑的受力安全以及如何控制结构变形等难题。

3 大跨度放射伞状空间桁架分块安装的关键技术监理

3.1 临时支撑设置过程监理控制

根据屋面吊装要求，结构吊装需设置临时支撑架，以便分段就位。临时支撑在整个结构吊装过程中起着十分重要的作用。在结构吊装阶段，所有重量都将由临时支撑承担，所以临时支撑的设置必须按吊装要求严格设置。监理在施工过程中严格要求，具体要求如下。

(1)临时支撑的位置严格按主体结构的分段位置设立。

(2)临时支撑由于受力较大，且临时支架均设置在地面或楼面上，所以必须对混凝土和桁架梁相应结构进行计算并加强，确保结构不被破坏并保证吊装的安全。

(3)临时支撑必须保证设立后的整体稳定性，采用刚性支撑以及缆风绳将临时支撑及地面稳定加固。

(4)临时支撑顶部的就位胎架模板的坐标定位尺寸必须保证，用全站仪进行精确定位，以方便屋盖结构安装。

根据太原南站屋盖安装方案及临时支撑设置要求，临时支撑高度分别为 34 m、25 m、6 m，截面为 1.5 m×1.5 m，立杆 φ180×6，腹杆 L80×6，材质均为 Q235B，支撑最大受力为12 t。主站房 A 区临时支撑设置情况(见图 4)，B、C 区临时支撑设置情况与 A 区基本一致。

图4 A区主站房临时支撑平面布置图

3.2 屋盖主要分块的拼装监理

本工程需在现场拼装(见图 5)的构件主要为：主站房屋面柱顶吊装单元的现场拼装；屋盖主桁架吊装分段；主站房屋盖次桁架分块吊装单元的现场拼装。

3.3 屋盖主要分块的安装监理过程

3.3.1 柱顶分块的安装

屋盖柱顶单元吊装重约 48 t，安装采用 350 t 履带吊施工，四点吊装法进行吊装，通过临时支撑胎架进行定位。吊装就位后采用连接板与钢柱进行固定，同时施工单位安排人员进行焊接作业，焊接完成后监理要求有资质的单位进行探伤，探伤合格后方可进行主桁架分块的安装(见图 6)。

图5 拼装分块单元示意图

图6 柱顶单元分块吊装

3.3.2 屋盖主桁架的安装监理

太原南站屋面主桁架最大长度达 23 m，最大重量为 18 t。屋面主桁架安装采用两点吊装法，其中一端采用倒链葫芦进行挂钩，方便在进行主桁架的安装就位时进行调节。主桁架安装过程中，必须通过全站仪对主桁架进行精确的测量定位，以确保屋面分块能够顺利安装。主桁架就位后采用连接板对主桁架进行固定，同时施工单位安排人员进行焊接作业，焊接完成后监理要求有资质的单位进行探伤，探伤合格后方可进行屋面分块的安装(见图 7)。

图7 主桁架安装就位

3.3.3 次桁架分块的安装监理

屋面分块在拼装完成后即可进行吊装。屋面分块吊装时采用四点吊装法，在挂钩时，其中两个挂点采用钢丝绳，另两个点采用倒链葫芦进行挂钩。当挂钩完毕后首先需对拼装完成的屋面分块进行脱胎，在进行屋面分块脱胎时要注意需先将屋面分块与拼装胎架连接板割开并仔细检查，防止因屋面分块尚与胎架相连即进行吊装造成分块变形。当分块脱胎后需通过调节倒链葫芦使屋面分块下弦基本处于水平后方可进行吊装，方便高空安装时的对接与就位。就位后监理工程师进行复测(见图 8)。

图8 屋面分块吊装就位

3.3.4 旅客通道上部构件的吊装过程控制

在吊装旅客通道上部屋盖钢结构时，由于旅客通道顶板混凝土结构设计荷载不能满足吊车直接在其上行走，且通道顶板与自然地面之间存在高差，致使旅客通道顶部钢结构不能直接靠近吊装，通过在自然地坪与出站通道顶板之间架设路基箱钢栈桥，使吊车平稳、安全行走在钢栈桥上进行吊装，有效地解决了由此带来的吊装难题。在吊装过程中，专职安全监理工程师全程监控，确保施工安全。

3.4 屋盖的卸载

本工程在主结构施工吊装完成、达到设计验收标准后，即开始结构的卸载施工。结构卸载是将屋面钢结构从支撑受力状态下，转换到自由受力状态的过程，即在保证现有钢结构临时支撑体系整体受力安全、主体结构由施工安装状态顺利过渡到设计状态。本工程卸载方案遵循卸载过程中结构构件的受力与变形协调、均衡、变化过程缓和、结构多次循环微量下降并便于现场施工操作的原则来实现。

卸载过程计算中，首先对施工安装完毕(未卸载)与卸载完毕(支撑拆除)两种结构状态进行计算比较，以此两种状态下整体结构的应力分布、位移情况及支撑反力为基础，通过设定结构卸载施工计算原则，对整个卸载方案及过程进行分区、分步的有限元模拟计算。本工程卸载工作量非常大，拟采用交叉分级卸载方法来进行卸载，经过比较优选，最终确定的卸载方案如下：根据现有的结构卸载施工模拟计算结果，采用同区等距(局部不等距)、分步实施的方法来卸载，通过分级拆除在支架或支撑顶部的胎架模板，按多次循环、微量下降的原则，来实现荷载的平稳转移。在卸载过程中，监理全过程检测，并在钢结构上布置监控点，将各个阶段坐标记录进行比较，避免突变，保证平稳卸载。

4 现场施工质量监理控制

4.1 屋面结构拼装精度的监理控制

为了确保屋盖结构的顺利吊装，在进行屋面主桁架及分块的拼装过程中，必须对屋面主桁架及分块的拼装精度进行严格的控制。分块拼装时精度应满足 GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》要求。拼装时，监理测量验收贯穿各工序的始末，对各工序的施工测量、跟踪检测全方位进行监测。为保证拼装精确度，首先监理工程师要求拼装场地必须压平压实，满足拼装荷载对地面压力的要求。拼装时采用钢路基箱作为主要受力平台，钢路基箱之间相互连接成一个整体，防止拼装胎架在拼装过程中产生较大的变形。在进行屋面主桁架及分块拼装过程中，还必须实时对拼装胎架的竖向标高进行沉降位移监测，防止由于胎架下沉导致构件拼装变形。在屋面主桁架及分块拼装前还应根据以往施工经验及焊接工艺评定的结果，在屋面主桁架及分块组装焊接前，加放必要的焊接收缩余量，在焊接过程中尽量使用 CO2气体保护的焊接方法进行焊接，在焊接时还应优化焊接顺序，采用从中心向四周对称焊接的方法，减少屋面主桁架及分块的焊接变形。

4.2 屋面分块焊接监理质量控制

屋面分块一个安装单元的构件吊装就位并完成位置的校正调整和临时固定后，即可开始进行焊接。焊接顺序遵循从中间开始向四周扩散的原则进行。在焊接时先焊收缩量大的接头，后焊收缩量小的接头；同一构件两端不得同时焊接。在焊接方法的选择上应尽量采取 CO2焊接方法，减少焊接道数，降低焊接变形和残余应力。同时为保证焊接质量，监理要求必须在保证手工电弧焊时风速不得超过 8 m/s，CO2气体保护焊不得超过 2 m/s；如超过上述数值应采取相应的防风措施，如利用焊接操作平台，将平台做成基本封闭状态等。在冬季进行焊接作业，当气温低于 －5℃ 时焊接前必须做好加热措施，焊接完成后必须保温，做到焊后缓冷，使接头在冷却时能有足够的塑性和宽度方向均匀消除焊接收缩。焊接完毕，焊工应清理焊缝表面的熔渣及两侧的飞溅物，检查焊缝外观质量，合格后在工艺规定的部位打上焊工钢印。焊缝如需返修，同一部位的返修次数不得超过 2 次。如超过 2 次时，必须经过焊接责任工程师及监理工程师核准后,方可按返修工艺进行。

5 结 语

在太原南站屋盖结构全部施工完毕后，通过监理对卸载后结构应力应变的监测及结构安装精度的测量和验收，太原南站屋盖大跨度放射伞状结构在受力及建筑造型上都达到了设计要求。大跨度放射伞状空间桁架的分块安装技术在太原南站的应用既有效保证了太原南站钢结构施工进度，也有效保障了钢结构施工质量，使太原南站屋面钢结构既能有效承受积雨、积雪、积冰等屋面荷载，也确保了屋盖结构能有效承受太原南站通车后带来的震动荷载。大跨度放射伞状空间桁架的分块安装技术的应用很好地保证了太原南站屋面整体建筑效果，优化了整体结构的用钢量，体现了太原南站建筑造型设计理念。该项技术还填补了国内大跨度放射伞状空间结构安装应用的空白，对同类型大跨度放射伞状结构的设计、施工、监理有很好的借鉴作用，具有很高的应用推广价值。