高铁站房异形钢桁架屋盖曲面累积滑移施工关键技术*

2022-01-24姬建华刘新乐赵庆国朱长乐

施工技术(中英文) 2021年20期

姬建华，刘新乐，赵庆国，朱长乐

(中铁电气化局集团北京建筑工程有限公司，北京 100039)

1 工程概况

新建宿迁站位于江苏省宿迁市宿城区，是徐州经宿迁至盐城铁路最大的中间车站，为线侧下式站房。主站房建筑面积25 500m2，站房主体采用钢筋混凝土框架结构(1层)+钢框架结构(2～3层)，主体建筑外墙东西轴线长152.6m，南北轴线长53.55m，最高点距地面34.9m，站房屋面为异形曲面造型，整体呈四坡五脊“庑殿顶”对称形式(见图1)。

图1 新建宿迁高铁站效果

屋盖结构形式为空间倒三角钢桁架结构，由12榀纵向主桁架、75榀次桁架和4榀屋脊桁架组成，主、次桁架间通过焊接连接，上、下弦布置2道圆管及内支撑，整体东西对称，主桁架间的屋脊桁架由中心向四角放射，屋脊长88m，屋架平面投影尺寸81.5m×178.2m，最高标高34.250m，最低标高21.110m，高差13.14m，主桁架跨度52m，桁架总重约1 600t，支座落于钢框架结构柱上(见图2)。

图2 屋盖单元构造节点(单位：m)

2 施工难点分析及方案选择

本工程屋盖钢结构整体跨度较大，造型立体多变，空间位置复杂，结构曲线较多，构件数量多，截面变化大，屋盖高、低点高差大。施工期间，站房北侧与之交接的高架桥由市政单位同步施工，桥面边缘距离站房<15m，南侧距离站场垂直挡墙<13m，东侧为正在施工的信号楼，仅有西侧和东侧局部场地可用，施工场地局促(见图3)。

图3 施工现场环境

在方案选择上，分段吊装因在南、北两侧不具备大型履带式起重机站位条件，无法满足需求，且因候车大厅楼板为轻质组合楼板，承载力有限，不具备可实施性；整体顶升和提升需在中间候车大厅区域的地面上进行作业，但无法兼顾四周悬挑区域钢结构，悬挑构件仍需吊装，同时考虑钢结构施工期间给中间区域地面其他工序留出足够的作业空间，此方法不可行；高空散拼施工因屋盖造型翘曲复杂，操作平台上方还需安装大量辅助拼装胎架，累积荷载过大，安全风险高，经济性差，同时搭设拼装平台将占满下部空间，下部作业面同步施工受限，不利于工期进度，因此，本方案同样不可行。

综合考虑场地条件、工期计划、经济效益等方面，最终选定滑移施工工艺。即屋盖从中间分开，设东、西2个滑移区，利用东、西两侧场地拼装构件，吊装至高空作业平台分榀组拼后，分别从东、西两侧向中间累积滑移，就位后组拼为整体，还可将悬挑区域桁架同步安装完毕并滑移就位，基本不占用下部空间。不过受场地局限影响及考虑垂直吊运范围覆盖全面，站房区域北侧的2号塔式起重机塔身侵占了钢屋架④～⑤/轴结构位置，滑移时需考虑偏载受力下施加不同顶推力以达到同步控制。

3 关键施工技术

3.1 滑移轨道设计

东、西侧2个滑移区各设置2条曲率半径为310.6m、重43kg的弧形型钢轨，每条长约66m，分别沿南、北两侧的，轴通长对称布置(见图4)。为便于在弧形轨道上累积滑移，须整体抬高桁架，在抬高范围内放置组合滑移梁和滑靴，组合滑移梁设置在既有结构钢梁上，按轴线分段制造，轨道则通过压板固定在组合滑移梁上，不同区段滑移梁和滑靴高度之和应相等，以保证轨道上表面和滑靴下表面形成的圆弧接触面一致(见图5)。组合滑移梁由焊接工字钢+垫块+钢板组合而成(见图6)，工字钢尺寸为300mm×25mm×25mm(高为300mm或400mm或500mm，按实际取最优高度)，钢板底部铺设垫块，通过调节垫块高度保证钢板接触面弧度。

图4 滑轨布置

图5 滑轨设计原理示意

图6 组合滑移梁断面

为保障滑移轨道下部结构能够承受滑移荷载，提前请设计单位复核，加大顶层框架钢梁截面尺寸，每隔500mm焊接20mm厚抗扭加劲板加固，同时在钢梁底部增设φ351×16圆管八字撑，加固点为钢梁1/3位置(见图7)。

图7 钢梁加固

3.2 滑靴设计

钢结构滑移采用滑动式滑移方法，滑靴由型钢构件经设计计算焊接而成，滑靴顶部预留550mm的空间放置桁架下部底板，四周焊接钢挡板。滑靴顶部与桁架底板不焊接，便于拆卸。底部设有轨道挡块，挡块间距略宽于轨道，以防滑移过程中的侧向偏移(见图8)。

图8 滑靴示意

因滑移单元体与弧形滑轨的空间形状不完全一致，为保证单元体顺利就位和卸载，设计5种不同类型滑靴，以确保轨道上表面和滑靴下表面形成的圆弧接触面一致，且使滑移就位后滑靴贴合于所在支座处滑轨表面，避免浮空。对于滑轮设置，②，轴相同，③，⑩轴相同，④，⑨轴相同，⑤，⑧轴相同，⑥，⑦轴相同，①，轴原位拼装，不设置滑靴。

3.3 滑移单元划分

根据结构布置及现场施工平面综合考虑，在屋盖东、西两侧②，轴以外部位搭设作业平台，设为原位拼装区。剩余结构共分为8个独立滑移单元，每个单元根据滑移先后顺序进行编号。中间区域和北侧2号塔式起重机影响区域后期原位嵌补(见图9)。

图9 滑移单元划分

3.4 滑移动力设备

本工程每条轨道各配置1台自锁式液压爬行器(水平推力1 000kN)，共4台配置1台液压泵站作为中枢驱动系统，泵站可同时驱动2台爬行器。钢结构为顶推式滑移，爬行器一端与滑靴耳板相连，另一端可自动楔紧轨道产生反力以实现推移，无须另设反力架，且与滑移构件刚性连接，同步控制精度高(见图10)。

图10 滑移设备

液压爬行器楔形夹块具有单向自锁功能，当油缸伸出时，夹块自动锁紧滑移轨道，爬行器推动构件前行；当油缸缩回时，滑移构件不动，爬行器夹块松开并与油缸同方向通过循环伸缩往复移动，使构件滑移至最终位置。为方便统一指挥高空滑移，控制爬行器驱动泵站布置于站房中部候车大厅层开阔地段，由专人控制，爬行器在行走时，同样安排专人盯控。

3.5 消除轨道侧向力影响

因主桁架造型近似于弓字形，在其自重荷载作用下，桁架两侧与滑移钢轨接触面处会产生向外侧的水平推力，轨道存在脱轨风险，为有效消除潜在风险，采用6×37钢丝绳作为“弓弦”锁住桁架两端，将其向内收敛拉住(见图11)。

图11 钢丝绳拉住桁架

3.6 同步控制

同步控制系统通过高精度传感器不断采集油缸压力和行程信息及每个顶推点位移信息，在计算机端随时比较各点测量值误差与期望误差的偏差，以调节控制系统。钢结构滑移时，受2号塔式起重机塔身侵占影响，北侧部分钢构件待滑移完成并拆除塔式起重机后原位嵌补，故滑移时南侧轨道承受荷载明显比北侧轨道大，荷载偏心又进一步影响了滑移稳定性，且这种影响突出体现在第1，2单元滑移中，通过控制偏心荷载单元体滑移参数，如顶推力、滑移速度、滑移就位精度等，确保偏载滑移稳定。

本工程安全不同步值取15mm，调节不同步值取10mm。即滑移点不同步值>10mm时，系统暂停，操作人员检查滑移通道是否存在障碍，明确情况后启动系统单点单动功能，直至所有顶推点不同步值在10mm以内继续滑移。实际操作中重点关注不同步值，如发现滑移过程中某点滑移不同步值有偏大趋势，则调节顶推点滑移速度，以缩小不同步值。即若不同步值<10mm但有增大趋势，必须通过软调节泵流量改善不同步状况；若>10mm，则查明原因后采用单点动作实现控制。

3.7 防溜滑控制

钢桁架在滑移过程中有下坡和上坡过程，尤其是1，2单元滑移时，弧形轨道上坡度角为6.7°，验证拼装时的安全角度为5.7°～11.3°。为防止桁架在上、下坡过程中溜滑失控，安全起见，采用爬行器自锁和倒链2种装置同时加强约束，防止桁架自动滑行，解决了防溜滑问题。

3.8 实时监控量测

1)选择17个位移监测点并做标记(见图12)，使用全站仪监测结构位移，记录每次测量平面坐标，利用坐标增量判定结构是否移位变形。

图12 位移监测点布置

2)在桁架结构总拼装及屋面工程完成后，分别测量桁架挠度变化，测量点在主拱水平桁架下弦中央，桁架滑移前，在各挠度监测点上粘贴反射贴片，待滑移完成后，架设全站仪观测。

3)为确保滑移过程中能了解各构件实时应力变化情况，施工中在滑移轨道、底板钢梁、圆管八字撑等部位安装应力及应变传感器，对现场滑移过程应力、应变进行监测，确保滑移稳定安全(见图13)。

图13 应力、应变传感器安装

4 施工工艺

运用Tekla软件对整个桁架结构进行三维建模，确立地面拼装三维坐标，在东、西两侧硬化地面上搭设拼装胎架后拼装构件，搭设高空支撑胎架，将地面拼装单元提升至高空胎架组拼后进行高空累积滑移，各单元均滑移就位后卸载胎架，最后局部构件原位拼装、嵌补，完成安装。

1)地面拼装胎架应具备一定的灵活性以便控制精度，胎架立柱支撑设置在主弦杆对接处、弦杆折弯处、弦杆两端所在位置。为使拼装胎架具备较好的稳定性，构件现场拼装过程中，相邻胎架通过拉杆连成整体，保证在使用过程中不会发生失稳倾翻。

2)根据屋盖桁架结构特点，第1，2榀滑移桁架和原位拼装桁架在高空组拼时需设置临时支撑胎架，胎架底部直接坐落于下部楼面及基础上，胎架顶部设置定位和校正装置。

3)高空累积滑移共分5个阶段，每个阶段的滑移单元在正式滑移前均须试滑移。第1阶段是从东、西两侧向中间滑移高空组拼完成的第1(⑤～⑥轴)和第5滑移单元(⑦～⑧轴)桁架，滑移1个单元位置，为第2阶段桁架留出高空组拼位置，滑移前须拆除②～③轴，⑩～轴胎架，以免影响滑移。第2阶段为在地面拼装第2(④～⑤轴)和第6滑移单元(⑧～⑨轴)主、次桁架，分别吊运至拼装平台组拼，因2个滑移单元结构造型不同，滑移完1个单元后需调整胎架。桁架组拼完成后再与前一个滑移单元组拼在一起，整体向中间累积滑移1个单元。滑移第3～5阶段操作方法同第2阶段，但无须再布置支撑胎架，分别将8个滑移单元逐步组拼滑移就位即可。