济南西客站大型屋盖滑移控制技术分析

王培森，路鹏

（山东建筑大学土木工程学院，济南250101）

1 引言

近年来，随着预应力技术的发展，建筑对大空间的需求，大跨度钢桁架、网架等钢结构的应用越来越广泛。本文以济南西客站站房钢桁架屋顶滑移法施工为研究对象，利用有限元软件ANSYS 对张拉对象建模，模拟预应力加载过程，得到各控制点在张拉过程中的变形量。利用数值模拟分析结果控制张拉过程，保证张拉质量，同时确保张拉过程顺利进行，给大型屋盖滑移施工过程提供依据[1]。

2 屋盖滑移方案

2.1 工程概况

济南西客站是京沪高速铁路5 个始发终点站之一。车站中心里程DIK419+415，站房位于线路左侧，面向城市。车站横列式布局，设8 台15 线（不含2 条高速正线）。到发线有效长度满足650m。济南西客站预计2020 年发送旅客2151 万人/a，2030 年发送2807 万人/a。

新建站房最高聚集人数4000 人，总建筑面积99786m2，无站台雨棚65326m2。

济南西客站Ⅱ区高架候车厅钢结构屋盖分为A、B、C 3 个区，如图1、图2 所示。

图1 屋盖结构分区图

图2 屋盖结构三维轴测图

A 区的宽度116.4m，长度99m；B 区宽度116.4m，长度77.5m，C 区宽度107m，长度25m。其中，A 区和B 区结构间有300mm 的间隙。钢结构屋盖型钢梁及斜撑等附属杆件多采用螺栓连接，而其中主桁架及型钢梁、弧型梁等杆件均为弧形，加工、安装难度较大。屋盖钢结构总质量约3000t，钢材材质均为Q345B。

2.2 液压滑移原理

“液压同步滑移技术”的滑移驱动设备为组合式结构，中间利用液压油缸驱动爬行，一端以铰接连接滑移胎架或构件，一端以楔形夹块与滑移轨道连接。滑移过程如下：安装连接完毕后，爬行器液压缸伸缸推动滑移，一个行程滑移300mm；伸缸行程完毕后，缩缸，松开楔块与滑移轨道，拖动夹紧装置向前滑移；缩缸完毕，继续拖动夹紧装置向前滑移，一个行程300mm。如此循环往复，使构件滑移至最终位置[2]。

2.3 滑移平面布置

限于现场条件，为保证施工安全，待土建完成高架候车厅楼层混凝土施工，养护至设计强度后，下部结构已形成整体，此时针对钢结构屋盖施工采用整体累计滑移技术。在西侧Ⅱ-L 和Ⅱ-N 间搭设高空操作平台，安装方式为地面拼装、整体吊装、高空补档。屋盖主、次桁架拼装完成后，分4 段吊装主桁架，整体吊装次桁架。主次桁架安装就位后，连接型梁、檩条等构件，达到滑移条件。

滑移过程中高架层至屋盖的钢柱，柱长约13.9m，于钢柱间加设连杆传递爬行器推力，以增加滑移单位的整体稳定性，减小变形量。

2.4 滑移安装流程

高架候车厅屋盖钢结构安装流程如图3 所示。

图3 屋盖钢结构安装流程

3 数值模拟计算

为保证滑移施工过程中结构安装，特采用大型有限元分析程序ANSYS10.0 对屋面结构滑移施工进行计算分析。根据施工方案，本方案采用累积滑移，共有9 组滑移单元。

3.1 计算参数

结构中的Q345B 钢材材料参数如下：

弹性模量：E=2.06×105MPa；泊松比：γ=0.3；密度：ρ=7.85×103kg/m3；线膨胀系数：α=1.2×10-5℃-1；屈服强度：fy=345MPa；强度设计值：f=fy/1.15=300MPa。

根据施工方案，累积滑移整体屋面结构的有限元计算模型如图4 所示，主体结构的杆件单元采用beam188 梁单元，加固杆件采用link8 单元。

图4 构件应力分布图（单位：MPa）

荷载：滑移过程中不考虑风荷载及地震作用，将自重放大1.35 倍。

约束：结构在滑移行进过程中仅受到轨道竖直方向的约束，因此于柱脚施加Z向约束，X、Y方向释放约束[3]。

3.2 计算分析

对各滑移单元进行施工状态计算分析：取滑移单元一为C 区部分的滑移。

可以看出，Z向位移最大值位于桁架跨中处，为38.28mm＜59000/400=147mm，结构最大应力为79.45＜[f]=95MPa, 满足GB 50017—2017《钢结构设计规范》要求。

同理可以求出其余8 个单元构件最大应力，均满足GB 50017—2017《钢结构设计规范》要求。

3.3 特殊工况分析

为确保滑移安全，利用ANSYS 软件分析计算可能出现的特殊工况：

1）轨道表面平整度偏差为20mm 时，对屋盖的内力及变形进行分析；

2）出现滑移不同步现象且不同步值达到30mm 时，对屋盖的内力及变形进行分析；

3）顶推钢柱过程中偏心值达到20mm 时，对结构进行内力及变形分析。

分析结果显示，结构最大应力值为62N/mm2，最大变形值为45mm，均在规范许可范围内。

3.4 卸载过程计算分析

与滑移过程不同，卸载过程中存在钢柱的标高不一致的情况，其中，中间轨道钢柱最大落差为40mm，两侧轨道钢柱最大落差为20mm。现分析结构受力是否满足设计要求。

由图5 可以看出，卸载过程中结构产生的最大下挠值为119mm，119mm＜59000/400=147mm；结构最大应力为95.2MPa＜[f]=295MPa，均满足规范要求。

3.5 结论

从屋面结构滑移施工计算结果得出如下结论：

1）滑移过程中，Z向位移最大值位于桁架跨中处，是标准值1/5～1/4,结构最大应力是标准值1/5～1/4，均满足GB 50017—2017《钢结构设计规范》要求；

图5 杆件应力比云图

2）在施工过程中，增加临时措施，最终滑移结构最大竖向挠度为54mm，满足规范要求；

3）滑移过程中，各累积滑移单元的结构构件内力最大为62N/mm2，保证结构处于弹性受力状态；

4）对滑移细微不同步、轨道不平整等特殊工况进行分析，不会导致结构产生破坏；

5）依据支座的最大竖向反力标准值1598.6kN 对滑移支撑架和型梁进行设计；

6）卸载过程中的结构最大应力和最大下挠值均满足规范要求[4]。

4 结语

本工程大跨度钢结构屋盖施工，共分9 个高空作业单元进行拼装滑移，历时近40d，未出现异常情况，支撑体系的整体性、稳定性、刚度、强度均保持良好。它不但保证了工期及整体效益，也对大跨度钢结构支撑体系安全提供了宝贵的施工经验。应用有限元分析屋盖滑移施工过程，控制控制点在张拉中的变形量，对张拉进行控制，保证张拉过程的顺利进行，无需大量拼装胎架，只需较少数量的拼装胎架即可，节省材料费用；对起重设备性能要求相对较低，起重设备投入相对较少，吊装工作程序简单；适合建筑物纵向长距离施工，施工顺序较为合理，不会引起工期的拖延。该工程的顺利进行为大跨度钢结构屋盖滑移施工提供了工程和理论依据。