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唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)

作者:鄭雪祥 余穎    
時間:2012-10-31 15:14:17 [收藏]
唐山火車站站房懸挑結(jié)構(gòu)是目前我國鐵路項目設(shè)計的第一個大型懸挑結(jié)構(gòu)工程。通過介紹懸挑結(jié)構(gòu)的施工流程、技術(shù)準(zhǔn)備、具體實施和措施保障等,到最終順利完成大跨度懸挑結(jié)構(gòu)安裝的全過程
    關(guān)鍵詞:

    唐山火車站站房懸挑結(jié)構(gòu)是目前我國鐵路項目設(shè)計的第一個大型懸挑結(jié)構(gòu)工程。通過介紹懸挑結(jié)構(gòu)的施工流程、技術(shù)準(zhǔn)備、具體實施和措施保障等,到最終順利完成大跨度懸挑結(jié)構(gòu)安裝的全過程,分析安裝施工過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)以及先進(jìn)技術(shù)和措施,及時總結(jié)得失,為以后類似的工程施工提供參考和借鑒。
    [關(guān)鍵字]:大跨度 ;組合體;結(jié)構(gòu)平衡;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

          津秦客運(yùn)專線唐山火車站位于唐山市路南區(qū)賴旺莊村,地處112國道東側(cè),北新西道東南側(cè),交通十分便利。本場區(qū)屬扇間洼地型低平原,地勢平坦開闊,植被不甚發(fā)育,多辟為桃樹林。唐山新火車站的建筑外觀設(shè)計進(jìn)行了大膽創(chuàng)新,特別是東、西兩側(cè)的大型懸挑門框更是氣勢恢弘,整個建筑采取了“旭日初升”的美好立意,唐山新站迎著東方初升的旭日,沐浴在和諧溫暖的晨光中,“旭日初升”契合了唐山站在城市空間發(fā)展中的重要地位,見圖1。寓意了唐山新世紀(jì)蓬勃發(fā)展、蒸蒸日上的朝氣,預(yù)示了唐山城市發(fā)展的美好未來。建成后的新火車站將成為城市主干道——新華西道西端的唐山城市名片。
     

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    圖1 唐山火車站大型懸挑門框效果圖
     

    站房懸挑結(jié)構(gòu)位于站房高架層?xùn)|西兩端部位,懸挑結(jié)構(gòu)由單片次桁架組成,最大懸挑達(dá)28米,最小懸挑為2.3米;懸挑結(jié)構(gòu)之間由單片主桁架及區(qū)塊次結(jié)構(gòu)連接,單片主桁架長度為9~12米。具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)詳見下圖2-5所示:

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    圖2 唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù) 懸挑單片次桁架及撐桿    

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    圖3 唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù) 單片主桁架

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    圖4 唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù) 區(qū)塊次結(jié)構(gòu)  

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    圖5 唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù) H型鋼梁
     

    1. 工程重難點(diǎn)
          1.1場地條件限制
          由于現(xiàn)場場地條件的限制,現(xiàn)場無法進(jìn)行支撐架的設(shè)置。同時大型吊機(jī)只能固定一處進(jìn)行安裝作業(yè),為配合本方案進(jìn)行懸挑結(jié)構(gòu)的安裝,需要另外的大型汽車吊配合安裝,場地限制捉襟見肘。
          1.2懸挑結(jié)構(gòu)安裝方法困難
          由于懸挑結(jié)構(gòu)都為單片形式,且最大懸挑達(dá)到28米,如設(shè)置支撐架則由于場地限制無法形成,整個安裝過程只能靠結(jié)構(gòu)本身的支撐體系完成。
          1.3 測量控制保證困難
          由于懸挑桁架都為單片桁架,在高空安裝時,懸挑結(jié)構(gòu)的安裝標(biāo)高及懸挑端部的左右位移將很難得到有效控制

    2. 懸挑結(jié)構(gòu)安裝思路及順序
          根據(jù)懸挑結(jié)構(gòu)的安裝特點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)場實際情況。在進(jìn)行懸挑結(jié)構(gòu)安裝時,將組拼完成的單片懸挑次桁架與斜撐桿連接在一起(通過銷軸連接及手拉葫蘆),使用大型履帶吊將單片懸挑次桁架與斜撐桿的組合體同時起吊。當(dāng)該組合體吊至設(shè)計安裝位置后,先將斜撐桿與混凝土柱上的預(yù)埋件通過銷軸連接固定起來,再通過吊機(jī)下鉤的過程使組合體中單片次桁架上弦桿及下弦腹桿與原結(jié)構(gòu)桁架對接,同時懸挑單片次桁架懸挑端部通過攬風(fēng)繩調(diào)節(jié)側(cè)向位移,并起到臨時固定作用。最后,施工人員在次桁架上、下弦桿同時進(jìn)行焊接。在焊接作業(yè)完成后,履帶吊機(jī)才能松鉤。
        由于H型鋼梁在懸挑結(jié)構(gòu)之間都有設(shè)置,且H型鋼梁是通過螺栓形式與次桁架上弦桿檁托連接,鋼梁安裝方便快捷。那么根據(jù)這一特點(diǎn),在進(jìn)行懸挑次桁架的安裝時,除通過攬風(fēng)繩控制次桁架懸挑端部位移外,攔風(fēng)繩只能起到臨時連接的作用。所以,通過H型鋼梁將兩個相鄰的懸挑次桁架連接起來,形成一個剛性連接,這樣對懸挑結(jié)構(gòu)在安裝時的臨時穩(wěn)定性起到很大的作用。
        在相鄰的懸挑次桁架安裝完成后,除H型鋼梁的安裝外,緊接著將單片主桁架和區(qū)塊次桁架通過汽車吊進(jìn)行安裝,這樣從結(jié)構(gòu)上形成了一個穩(wěn)定的區(qū)塊。
        再根據(jù)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計形式看,懸挑結(jié)構(gòu)南北兩側(cè)懸挑長度為2m左右(1軸、16軸為三角懸挑次桁架,2軸、15軸為單片懸挑次桁架,這四個懸挑結(jié)構(gòu)無斜撐桿),所以整體安裝將從一側(cè)向另一側(cè)(即由北向南安裝或由南向北安裝)進(jìn)行。
        按照上述這些安裝思路及順序,相鄰之間的懸挑次桁架、中間次結(jié)構(gòu)連續(xù)安裝,最后完成整個懸挑結(jié)構(gòu)的安裝。
          按照圖紙要求和上述思路,鋼結(jié)構(gòu)站房安裝順序如下(以由北向南安裝順序為例):

    [page]16軸三角懸挑次桁架安裝(不含撐桿)         
          15軸單片懸挑次桁架安裝(不含撐桿)    
          15~16軸之間次結(jié)構(gòu)安裝(含H型鋼梁)      
          14軸單片懸挑次桁架安裝       
          14~15軸之間次結(jié)構(gòu)安裝(含H型鋼梁)      
          13軸單片懸挑次桁架安裝      
          13~14軸之間次結(jié)構(gòu)安裝(含H型鋼梁)
          ……2軸單片懸挑次桁架安裝(不含撐桿)      
          2~3軸之間次結(jié)構(gòu)安裝(含H型鋼梁)
          1軸三角懸挑次桁架安裝(不含撐桿)      
          1~2軸之間次結(jié)構(gòu)安裝(含H型鋼梁)

          施工順序如下圖6所示(以西側(cè)Ⅲ段懸挑結(jié)構(gòu)安裝順序為例):

     

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    圖6 唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù):懸挑結(jié)構(gòu)

    3. 懸挑結(jié)構(gòu)安裝流程
          由于懸挑單片次桁架與斜撐桿將組成一個組合體同時起吊,所以在地面起吊時,將斜撐桿與桁架連接過程至關(guān)重要,詳見下列步驟圖:
          第一步:事先設(shè)置馬蹬(其高度根據(jù)實際情況確定),將斜撐桿一端通過汽車吊吊至馬蹬之上,并保持斜撐桿耳板開口朝上。

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          第二步:將懸挑單片次桁架吊至撐桿上方。
     

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    第三步:將懸挑單片次桁架垂直下落,使桁架耳板插入斜撐桿耳板之內(nèi)。

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          第四步:當(dāng)耳板對接好后,保持銷軸孔對齊,然后將銷軸穿入其中。

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          第五步:斜撐桿的尾部與桁架尾部,通過鋼絲繩套和10噸的手拉葫蘆綁牢。等待組合體起吊后,尾部鋼絲繩慢慢放長,大致達(dá)到設(shè)計角度要求(鋼絲繩長度根據(jù)角度要求設(shè)置,約比設(shè)計要求長50cm左右)

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          第六步:組合體起吊過程中,由于起初時,撐桿重量集中于懸挑單片桁架懸挑端部,尾部仍在地面擱置,為防止組合體重量不均勻而引起不水平或傾覆發(fā)生,使用25噸汽車吊在懸挑端部配合起吊。

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          第七步:待斜撐桿頭尾都與桁架連接后,慢慢起吊次桁架,斜撐桿銷軸端部將和桁架同時吊起,而尾部則隨著手拉葫蘆固定的長度慢慢放長,最后組合體形成。同時,斜撐桿的安裝角度大致形成。

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          4. 現(xiàn)場安裝關(guān)鍵技術(shù)
          4.1組合體組合技術(shù)
          從上面的操作步驟及安裝方法來看,單片懸挑桁架與支撐桿將先組合成一個組合體后進(jìn)行安裝作業(yè),又由于支撐桿最大單重近達(dá)10噸左右,僅靠一個銷軸將單片桁架與支撐桿結(jié)合在一起,同時撐桿的大角度安裝狀態(tài)也是本次安裝的一個重難點(diǎn)之一。
          為解決上述問題,事先將撐桿通過馬?將支撐桿的一端墊起,墊起高度由支撐桿與單片桁架之間夾角決定。穩(wěn)定住支撐桿后,再將單片桁架下的耳板慢慢插入支撐桿上,通過銷軸連接后,組合體即組合完成。
          4.2 組合體提升平衡技術(shù)
          當(dāng)組合體組合完成后,由于支撐桿與單片桁架通過一個端部連接組成,在起吊過程中,支撐桿的自由端在未離地前,其支撐桿重量會直接導(dǎo)致組合體不平衡,為防止此現(xiàn)象發(fā)生而引起不必要的危險,為組合體提升平衡,在單片桁架受力端增加一臺汽車吊,以保持整個組合體的平衡。
          4.3 組合體安裝穩(wěn)定技術(shù)
          當(dāng)組合體安裝至設(shè)計位置后,由于單片體系屬于不穩(wěn)定狀態(tài),為整個結(jié)構(gòu)的臨時穩(wěn)定,同時方便焊接施工,組合體在懸挑端部設(shè)置攬風(fēng)繩,減小端部的強(qiáng)烈晃動,并且在尾部加強(qiáng)對原主結(jié)構(gòu)的臨時固定,將尾部的左右和中間方向設(shè)置手拉葫蘆,這樣尾部的穩(wěn)定則不會影響焊接質(zhì)量。

    [page]5. 吊裝變形驗算
          1.1  結(jié)構(gòu)計算復(fù)核條件
          懸挑桁架吊裝驗算采用有限元軟件SAP2000 12.01版本計算,結(jié)構(gòu)吊裝動力系數(shù)取1.2,選?、噍S懸挑桁架進(jìn)行計算復(fù)核,如圖7~15。

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    圖7  唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù):⑧軸吊裝單元
     
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    圖8  唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù):桿件截面


    1.2  結(jié)構(gòu)吊裝變形驗算

     

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    圖9  唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù):12號節(jié)點(diǎn)豎向位移17.03mm

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    圖10  唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù):5號節(jié)點(diǎn)豎向位移11.3mm

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    圖11  唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù):28號節(jié)點(diǎn)豎向位移13.1mm
     
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    圖12  唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù):23號節(jié)點(diǎn)豎向位移9.4mm
     
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    圖13  唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù):27號節(jié)點(diǎn)豎向位移12.3mm
     
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    圖14  唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù):8號節(jié)點(diǎn)豎向位移15.7mm

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    圖15  唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù):3號節(jié)點(diǎn)豎向位移10.97mm

    結(jié)構(gòu)吊裝變形最大豎位移17.03mm,相對繞度最大3.7mm,吊裝最大跨度15721mm,3.7/15721=1/4249滿足結(jié)構(gòu)吊裝安全要求。

    1.3  結(jié)構(gòu)吊裝應(yīng)力驗算如圖16-17

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    圖16  唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù):桿件應(yīng)力比云圖

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    圖17  唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝技術(shù):桿件應(yīng)力比柱狀圖
    結(jié)構(gòu)吊裝桿件最大應(yīng)力比為0.262,少數(shù)桿件應(yīng)力比大于0.1,滿足結(jié)構(gòu)吊裝安全要求。
    6 結(jié)論
          6.1 單片形式的懸挑結(jié)構(gòu)在安裝過程中的主要風(fēng)險在于安裝過程中的結(jié)構(gòu)平衡,防止重量分配不均而引起失穩(wěn)的危險發(fā)生。而本技術(shù)則根據(jù)唐山火車站結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點(diǎn),加設(shè)簡易馬蹬和手拉葫蘆,通過細(xì)微調(diào)節(jié),在整個過程中讓結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。同時小型汽車吊機(jī)的輔助也至關(guān)重要。
          6.2 銷軸連接是組合體組合的關(guān)鍵,難度主要在于支撐桿規(guī)格較大,而單片結(jié)構(gòu)也為楔口形式,在未達(dá)到一定位置狀態(tài)時,支撐桿端頭耳板無法與單片結(jié)構(gòu)上的耳板相接觸,本技術(shù)則加上了適當(dāng)高度的馬蹬或支撐架,將支撐桿墊上,使其形成一定角度,達(dá)到位置狀態(tài),這樣就滿足了銷軸連接的要求。
          6.3 本技術(shù)也充分考慮了大型單片結(jié)構(gòu)在安裝過程中的變形狀況,畢竟鋼結(jié)構(gòu)具有一定的彈性性能,而變形最大的情況出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)平臥狀態(tài)翻身至直立狀態(tài)時,表現(xiàn)得最為突出,但由于此時并未附加其它荷載,包括支撐桿的重量,完全是結(jié)構(gòu)自身重量引起,而短時間的翻身過程,在結(jié)構(gòu)直立后,即恢復(fù)了原狀態(tài)。
          6.4 本文通過唐山火車站大型懸挑結(jié)構(gòu)的安裝實例,證明了對超大型懸挑結(jié)構(gòu)安裝的各項關(guān)鍵技術(shù)是成功的,為今后該類結(jié)構(gòu)的安裝獲得了寶貴的經(jīng)驗,可為其他工程的設(shè)計、施工提供重要參考。
    參考文獻(xiàn):
          [1] 中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會 建筑鋼結(jié)構(gòu)施工手冊[M]. 北京:中國計劃出版社,2002.
          作者簡介:
          作者1:姓名 鄭雪祥;性別 男;出身年月 1970年3月;畢業(yè)院校 西安建筑科技大學(xué);工作單位 浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司;職務(wù) 項目經(jīng)理;職稱 工程師。
          作者2:姓名 余穎 ;性別 男;出身年月 1981年4月;畢業(yè)院校 華中科技大學(xué);工作單位 浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司;職務(wù) 技術(shù)總工;職稱 工程師。

     


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