某站房大跨度钢桁架屋盖结构滑移安装设计研究

郁 万 斌

(悉地(北京)国际建筑设计顾问有限公司，北京 100013)



某站房大跨度钢桁架屋盖结构滑移安装设计研究

郁 万 斌

(悉地(北京)国际建筑设计顾问有限公司，北京 100013)

利用有限元软件,模拟了某站房大跨度钢桁架屋盖结构整个滑移过程，对屋盖钢桁架和滑移轨道的受力和变形进行了全过程监控和验算，结果表明：整个滑移过程中屋盖钢桁架及滑移轨道整体和局部的受力与变形计算结果均满足规范要求。

站房，大跨度，屋盖钢桁架，结构设计

1 工程概况

某南站主站房总建筑面积约为46 973 m2，站房地下2层：出站层-10.5 m、地下夹层-5 m，地上3层：设备夹层4.2 m、高架层9 m、商业夹层15.04 m。

2 结构选型

站房钢结构主要包括钢立柱、屋盖钢桁架、高架层夹层钢框架、灰空间幕墙钢结构四个部分(见图1)。屋盖桁架为方管桁架结构，主要形式为平面片状桁架，屋盖由纵横交叉的平面方管桁架组成，主桁架：顺轨向20榀，垂轨向8榀，桁架轴线高3 m，主桁架将屋盖分割成55块，各分块之间通过次桁架相连，使整个屋盖钢结构组合成一个整体。站房屋盖南北宽139.58 m，东西长254.5 m，屋盖钢桁架最大跨度为42 m，两侧悬挑18.95 m，重约3 825 t。

屋盖钢桁架位于线路1站台～7站台上方，其中营业线有杭长场2,3道，杭甬场8,9道，普速场12,13道，扩建场19,20道，屋盖桁架结构施工时，上跨8条铁路营业线，是整个车站建设的重点和难点。

方管桁架结构有如下几个优点[1,2]：

1)采用相贯节点，外形简洁、大方，能够较好地体现结构美；

2)采用圆钢管，截面回转半径大，能够最大限度地利用材料；

3)防腐、清洁容易，在节点处各杆件直接焊接，不会形成死角和凹槽。

屋盖钢桁架为方管桁架结构，主要形式为平面片状桁架，整个屋盖钢桁架由横向、纵向主次桁架组成。屋盖钢桁架轴测图如图2所示。

3 桁架安装总体设计方案

液压同步顶推滑移技术已成功的应用于大型车站、会展中心、体育场馆、飞机场等屋盖钢桁架安装施工中[3-10]。“液压同步顶推滑移技术”采用液压顶推器作为滑移驱动设备[8]。

在本工程中，屋面钢桁架滑移安装采用液压同步顶推滑移技术[11，12]。站房屋盖钢桁架施工时，站房结构9 m层以下土建结构已施工完毕，根据屋盖钢桁架规模及有限的施工场地条件，屋盖钢桁架施工采用“结构分单元滑移”的施工方法进行安装。此方法可以有效解决上跨运营线路、大跨度、大悬挑、起吊重量大屋盖桁架安装难题，能够有效保证屋盖结构的施工安装经济安全[13]。具体安装总体思路如下。

将整个屋盖钢桁架结构划分为9个滑移单元(分别用A1，A2，A3，A4，B1，B2，B3，B4，B5表示)，其中A1单元、B1单元的桁架、檩条及拉杆在原位拼装完成，A2，A3，A4，B2，B3，B4，B5单元的桁架、檩条、拉杆在拼装胎架上拼装完成后分别单独滑移到安装位置。滑移前将外挑桁架的油漆涂装完成，减少灰空间位置油漆涂装施工对既有线的影响，其余油漆施工则在桁架滑移到位后涂装。

钢桁架滑移施工前，搭设安装好拼装胎架平台和滑移轨道。拼装胎架平台采用成品格构柱+H型钢梁组合而成，搭设在东、西站房两端。滑移轨道共设置4条，轨道分别位于②轴，⑤轴，⑧轴，轴，其中⑤轴，⑧轴两条位于高架范围9 m层混凝土楼板上方，②轴，轴位于高架范围外侧的灰空间位置(见图3)。在站房四角设4台作业半径80 m的塔吊，作为构件垂直运输设备。

4 钢桁架滑移过程设计及验算分析

4.1 钢屋盖结构滑移过程验算

本滑移过程采用Midas GEN V836有限元程序仿真分析，分析确定结构构件的最大应力和变形，以验证是否满足规范要求[14]。模型中标准荷载组合：1.0D；基本荷载组合：1.4D。并考虑温度荷载20 ℃～42 ℃，其中，D为被滑移结构构件自重。

屋盖钢桁架结构滑移过程计算结果如表1所示。通过表1可知：

1)单元一滑移过程中，结构最大应力比0.27，结构最大竖向变形为25 mm，滑移点轨道间距为42 000 mm，变形为轨道间距长的1/1 680，满足规范[13-16]小于1/400的要求，滑移阶段结构安全。2)单元二滑移过程中，结构最大应力比0.31，结构最大竖向变形为24 mm，变形为轨道间距长的1/1 750，满足规范[13-16]小于1/400的要求，滑移阶段结构安全。

表1 滑移阶段施工验算结果汇总

4.2 站房钢结构滑移轨道设计及验算

本工程为新建杭长客专杭州南站站房工程屋面钢结构滑移轨道设计，轨道主要由主桁架，水平桁架及支撑柱组成(见图5)。主桁架高3 m，轨道全长约240 m。

4.2.1 设计荷载

1)恒载。

结构自重由程序自动加载并计算，并考虑1.08的节点增大系数；

2)温度作用。

初始温度15 ℃，考虑升温30 ℃，降温15 ℃；

3)活荷载。

活荷载为根据工况计算得到的钢屋盖滑移支座反力；

4)水平荷载。

包括风荷载及钢屋盖滑移支座水平力。对于单个滑移支座，风荷载为7.5 kN,支座水平力为13 kN,综合考虑水平荷载20 kN；滑移过程中滑块与滑道有20 mm的间隙，根据工况计算，理论上滑块与滑道不会接触。滑移过程中应及时采取纠偏措施，防止钢屋盖向一侧整体偏移；

5)动力荷载。

根据滑移工况，液压系统在启停工况下动荷载极小，考虑1.05的动力放大系数。

4.2.2 轨道滑移计算结果

1)应力比结果分析。

本次应力比提取综合考虑Midas施工步模型，显示轨道在各施工步下杆件的最大应力比。杆件最大应力比为0.85，出现在斜腹杆中，大于0.8且小于0.85的杆件有6根。

2)滑移整体变形分布结果分析(以东站房滑移为例)。

a.东站房第二次滑移：滑移轨道最大综合变形为14 mm，最大竖向变形为9 mm，轨道单跨为33 500 mm，变形为轨道跨度的1/3 722，满足规范要求。

b.东站房第三次滑移：滑移轨道最大综合变形为19 mm，最大竖向变形为9 mm，轨道单跨为33 500 mm，变形为轨道跨度的1/3 722，满足规范要求。

c.东站房第四次滑移：滑移轨道最大综合变形为21 mm，最大竖向变形为9 mm，轨道单跨为33 500 mm，变形为轨道跨度的1/3 722，满足规范要求。

3)滑移梁局部验算。

根据滑移工况计算，滑移支座反力计算值为2 005 kN。计算模型如图6所示，由计算结果可知，滑移轨道最大应力为177 MPa，发生在轨道梁腹板位置，滑块作用的局部位置应力较小，满足要求。

4)斜腹杆验算。

为验算斜腹杆，现在模型中施加方向相反的500 kN力，模拟滑移过程中滑移梁及腹杆的受力，由于滑移梁是上翼缘受压，在滑移点局部范围内对于此处滑移梁是受轴拉，可以有效改善此处滑移梁及斜腹杆的应力情况。

5 结语

针对某南站主站房屋盖钢桁架结构特点以及工程难点，对于上跨既有运营铁路大跨度钢桁架屋盖滑移施工，有必要利用有限元软件对整个滑移过程进行全过程模拟分析研究，对屋盖钢桁架的受力和变形进行全过程监控和验算，以保证屋盖桁架在滑移安装过程中的安全可靠性。为未来上跨既有运营铁路工程施工提供参考和依据，具有很高的推广价值。

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Research on large-span steel roof structure design of a station building

Yu Wanbin

(InternationalArchitecturalDesignConsultingCo.,Ltd,Beijing100013,China)

Using finite element software, the paper simulates large-span steel roof structure sliding process of the station building, carries out whole-process monitoring and check calculation of the steel roof truss and sliding rail stress and deformation. Results show that: the whole and local stress and deformation calculation results of steel roof truss and sliding rail meet demands.

station building, large-span, steel roof, structural design

1009-6825(2017)09-0046-03

2017-01-17

郁万斌(1981- )，男，工程师

TU248.1

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