站房弧形屋面双向正交斜放钢梁安装技术研究

白国岩

(中铁十六局集团电气化工程有限公司 北京 100018）

1 引言

近年来，大跨度钢结构广泛应用于新建新型铁路站房工程。站房屋面钢结构一般采用吊装方法施工，但由于建筑规模大、结构复杂、吊装模块高空拼装精度要求高、作业难度大，因此屋面钢结构的安装是站房施工的难点。郑海波等[1]针对兰州西站屋盖管桁架结构吊装，提出利用BIM技术建立站房三维模型，从而对每根桁架进行空间定位。张利[2]针对太原南站站房屋面单元体结构吊装，通过对屋面主桁架采取精确的测量定位，来保证屋面整体的安装精度。赵娜等[3]研究了站房大跨度双曲屋面网架分块拼装、分块整体提升、转换吊点安装等方法；赵宇新、王立省等[4-5]研究了受限空间站房大跨度双曲屋面网架小单元分块拼装施工工艺流程。相关研究大多针对大型建筑结构屋面的施工方案研究，基本没有涉及到结构的精密安装的具体工艺和方法，也没有考虑结构在施工过程中的变形影响。本文针对新建中卫南站站房弧形屋面结构复杂、安装精度要求高、高空拼装作业难度大的特点，研究双向正交斜放钢梁吊装单元间及其与拱柱的精密对接技术。

2 工程概况

新建中卫南站是新建吴忠至中卫城际铁路上的一座中型客运站。站房主体建筑一层，长196.1 m，最大建筑高度34 m，建筑面积11 875 m2。为了在造型设计上突出中卫市“沙漠水城”的城市特色，以连续的箱形截面钢拱结构模拟著名“沙坡头”景观意向，连续弧形带状屋面犹如黄河水流淌于连绵起伏的大漠。如图1所示。

图1 站房三维示意

弧形屋面双向正交斜放钢梁安装面积9 072 m2。钢梁为焊接组合截面，上、下翼缘为Q345圆形钢管，通过腹板连接，截面高度为1 300 mm。屋面斜梁与钢拱柱呈45°夹角，采用套管补强节点侧面连接方式，如图2所示。

图2 钢拱与斜梁连接示意

该工程屋面为曲面结构，需要解决双向正交斜放钢梁吊装单元间及其与拱柱的高空精密对接技术难题。

3 工艺原理与施工工艺流程

弧形屋面双向正交斜放钢梁安装施工按照“工厂预拼、散件运输、现场拼装、吊装单元安装、补间单元吊装、整体分级同步卸载”的工艺原理进行施工。

考虑起重设备的能力、斜梁的重量以及吊装过程中的变形，将屋面斜梁划分为合理尺寸的单元，再根据斜梁构造特点将单元分割为散件[6]，在工厂制作完成后进行预拼，检测合格后将散件运输到施工现场。

根据钢拱柱实测空间位置及屋面设计高程，采用绝对坐标与相对定位相结合的方法，实现吊装单元的精准形位控制，在拼装胎架上拼装完毕后进行吊装。

屋面吊装时，吊装单元间预留补间单元，利用自主研发的弧形屋面补间钢梁吊、装一体化装置对补间钢梁进行起吊、移动，并作为精调及焊接的作业平台。

卸载时根据整体结构特点分区实施。采用控制位移的方法实现分阶段整体分级同步卸载。

施工工艺流程见图3。

图3 施工工艺流程

4 施工关键技术

4.1 施工单元的划分

为了保证弧形屋面钢梁间对接精度，降低拼接难度，提高施工效率，将屋面沿垂直于拱轴线方向划分为吊装单元和补间单元。吊装单元在地面拼接成形，用起重设备整体吊装。补间单元为吊装单元间预留的单元，其宽度为1个梁段长度，在吊装单元安装后原位拼装。

吊装单元的划分应考虑工程现场起重设备的能力、屋面曲面形状、斜梁的构造特点，以及单元重量和吊装过程中的变形。单元划分应尽量对称划分。单元重量不能超过起重设备额定起重量的95%。各单元的大小尽量一致。在屋面斜度较大部位的单元宽度应适当减小。补间单元预留位置不宜在大斜度弧形屋面部位[7]。

根据本工程钢结构的构造特点的划分方法，吊装单元宽度划分为10.5 m，吊装单元间留有1.5 m的补间单元。

4.2 屋面斜梁与钢拱柱接口空间位置测设

钢拱柱在安装过程中由于施工误差、自重、风荷载、温差等作用会与原设计位置存在偏差，因此在斜梁地面拼装前，需要重新确定每片屋面斜梁与钢拱柱实际对接位置。屋面斜梁与钢拱柱接口位置的精确测设是保证安装精度的关键。为保证弧形屋面线形与设计一致，接口高程采用设计高程，接口的平面位置在钢拱柱内侧表面。需要分别计算并测设每根斜梁上下翼缘实际接口的三维坐标。方法如下:

计算每根斜梁与拱柱理论接口位置坐标(x0，y0，z0），在拱柱侧面测设出点D1(xG，y0，z0），xG为拱柱侧表面的X坐标。如图4所示。由于拱柱施工完成后实际平面位置与设计位置存在偏差ΔxG，且斜梁与拱柱成45°或135°夹角，因此实际接口位置D2(xG，y0+ ΔyG，z0）(夹角 45°）或D2(xG，y0- ΔyG，z0）(夹角135°），ΔyG= ΔxG。

图4 接口位置示意

4.3 吊装单元现场拼装

(1）拼装场地及胎架要求

在施工现场地面进行吊装单元拼装。为避免吊装单元在安装过程中由于地面不平整或者承载力不够造成施工偏差或影响拼装精度，拼装场地要求整平，并硬化，满足平整度及承载力要求。在地面搭设拼装胎架[8]。搭设过程中，必须对拼装胎架的竖向标高实时进行沉降位移监测，防止由于胎架下沉导致构件拼装变形。

(2）现场拼装

主梁钢构件制作本身存在弧度，地面拼装时，用吊车将1根主梁悬吊。从一端开始，根据斜梁接口实际位置三维坐标，在现场用直尺(钢卷尺）测量调整到位，在下面搭建工字钢胎架，将主梁固定。再将主梁两侧次梁逐段调整，进行焊接。将1根主梁拼装好后，依照上述步骤，逐根对主梁进行拼装，直至整个吊装单元拼装结束。

(3）定位7字板安装

7字板是安装在吊装单元两端每根斜梁上翼缘处的7字形钢板，在吊装单元就位时7字板搭在钢拱柱顶面，起到支承和精调标高的作用[9]。由于钢拱柱的变形，钢拱上表面的高程存在变化，为保证弧形屋面线形与设计一致，因此各个7字板高度并不同。为了吊装单元就位后高程的微调，在每个7字板与拱柱间放置10 mm厚的调高垫板。从上翼缘实际接口位置垂直向上量取到钢拱柱内侧顶面的铅垂距离再加调高垫板厚度10 mm，即为7字板高度H。如图5所示。

图5 字板与调高垫板示意

4.4 临时支架安装

临时支架是吊装单元就位和调整的临时支撑装置，根据吊装单元大小一般布置1～2个，位于吊装单元中部。临时支架采用型钢四肢格构柱形式，由2 m标准节组成。顶部设置液压支座用于与吊装单元连接及调整高度。液压支座由管托、套筒和液压千斤顶组合而成。

临时支架应随着吊装单元的吊装进度安装，不宜过早安装。在安装临时支架前，对临时支架平面位置进行精密测量，确保位置准确。安装前对场地进行清理、整平和夯实，必要时铺设专用地基箱，使临时支架与专用地基箱固结，以保证支架安装后的地基稳定可靠[10]。

临时支架安装完毕后，及时安装缆风绳对临时支架进行稳定性拉结。对临时支架按1.2倍设计荷载进行超载预压，消除支架及地基的非弹性变形。根据吊装单元就位位置(起拱后）设置液压支座。

4.5 吊装单元分片吊装与精调

吊装过程分为试吊与正式提升2个阶段。

起重机采用履带吊或汽车吊，回转半径和作业角度结合施工场地大小及屋面高度确定，起重机最大负荷不得超过额定起重量的95%。

施工现场的作业区及起重机走行道路均要求是回填层并需夯实。局部区域无法满足的情况时在履带或车轮下方铺设厚度不小于25 mm的钢板。

(1）试吊

起吊点的确定。吊点位置应尽量选择关于吊装单元重心对称的节点位置处，保证各个吊点受力均匀，吊装单元提升过程的稳定，避免吊装过程结构产生附加内力。吊点位置和数量要合理，应通过计算确定，避免吊装单元产生过大变形及应力。

在吊装单元吊点处焊接吊耳，焊接完成后检查其合格性。将钢丝绳一端绳扣与吊耳间用吊装卡环连接，另一端绳扣直接挂在吊钩钩头。

弧形部位吊装单元应根据倾斜度和弧度调整钢丝绳长度，保证单元吊装过程中斜度不变、吊点受力均匀、吊装单元提升过程的稳定。

吊装前的准备工作就绪后，指挥者发出试吊信号，进行试起吊，吊起高度为200～300 mm时，发出停止信号，对各吊具的安全性和牢固性进行检查，检查焊缝状况和在自重作用下的变形是否符合设计要求，保证正式提升的安全。

试吊无误后，吊装单元缓慢下降重新置于胎架，确保安置稳妥后摘除吊钩。检查焊缝状况和结构变形情况，在满足设计要求的情况下即可进行正式提升。

(2）吊装单元提升、就位

吊装单元一端固定缆绳，吊至空中后，对角各设置两组人员通过缆绳对单元方向、角度进行调整。将单元由拼装位置缓慢移至该单元相应位置。

(3）吊装单元精调

吊装单元就位后，复核斜梁标高，当标高不满足时，通过调高垫板调整。校核标高并安排焊工对两端进行临时固定，确保吊装单元稳定[11]。

通过临时支架上千斤顶顶升至设计标高(包含起拱高度），调整到位后进行大面积焊接，焊接完成后进行松钩，吊装下一单元。

4.6 补间单元安装

一个单元吊装完成后，及时对与上一吊装单元间的补间单元进行安装，使屋面尽早形成整体。利用自主研发的弧形屋面补间钢梁吊、装一体化装置进行吊装拼接。该装置包括两股分别临时固定于屋面已安装节段上的相互平行且可供龙门架及安装作业平台走行的轨道、在轨道上方移动的龙门架、位于弧形屋面下方可移动的安装作业平台和调节轨道水平的固定装置等组成，如图6所示。

图6 弧形屋面补间钢桁架吊、装一体化装置示意

在吊装过程中，具体操作过程如下:

(1）在弧形屋面补间单元两侧单元上利用固定装置固定轨道并调节轨道水平，架设龙门架。

(2）将地面组装好的安装作业平台通过龙门架从补间一端提升至空中，通过轨道移动到屋面安装作业平面位置，与轨道结构连接，调节作业平台到合适高度并固定。

目前很多学者都认为醉酒型危险驾驶犯罪行为的主观方面应该属于过失，其理由主要为以下两个方面：首先从我国刑法修正案的相关规定可以看出，危险驾驶罪应该属于交通肇事罪的范畴，其犯罪构成应该和交通肇事罪保持一致，因为在交通肇事罪中其主体的主观罪过属于过失，则醉酒型危险驾驶罪也不会例外；其次就实践中的主观意识来说，虽然醉酒的驾驶行为人可能会意识到自己的行为会造成一定的危害结果，是过于自信或疏忽大意，认为自己不会或者是没有想到自己的行为必然会造成危害结果，而且一般都不会主动希望其结果的发生，这应该属于过失犯的主观意识，因此醉酒型危险驾驶罪应该属于过失犯的范畴。

(3）在屋面单元强度较高的一端设置吊装口，单块屋面补间空缺钢梁通过龙门架提升至屋面，通过轨道移动龙门架，将钢梁移至所在位置。

(4）工人在安装作业平台上对单块钢梁进行精调，调整好位置后，进行临时固定。

(5）完成作业平台范围内初步作业后，将作业平台降至地面，通过龙门架从补间一端提升至空中，通过轨道移动到屋面下一作业平面位置。

(6）重复上述步骤逐一吊装补间其他空缺钢梁，直至整个弧形屋面补间空缺钢梁全部吊装完毕，焊接固定。

4.7 卸载

在屋面斜梁施工完成之后，进行临时支架卸载。在卸载前所有构件、节点必须全部安装、焊接完成，并验收合格。

(1）卸载方案

本工程屋面面积大，临时支架数量多，且各临时支架卸载量相差较大，为了保证卸载过程中每步卸载量相近，使结构受力状态平稳过渡，采用“分阶段整体分级同步卸载”的方法进行临时支架卸载。该方法卸载分区及每级卸载量，需要根据屋面面积、临时支架布置情况，结合屋面斜梁仿真计算进行确定。每个临时支架的总卸载量根据临时支架位置处的屋面斜梁竖向位移求得。由式(1）求得。

式中，δ支架拆除为无支架情况下原临时支架位置处屋面斜梁的竖向位移(mm）；δ支架未拆为有支架情况下临时支架位置处屋面斜梁的竖向位移(mm）。

根据计算结果，将临时支架划分为3个卸载区，每个区分5级进行卸载，保证每级卸载都能使屋面斜梁整体变形缓慢，受力均匀，易于控制。

(2）卸载方法

卸载前先计算好支点处斜梁变形量。若卸载点水平位移较大时，在卸载之前利用垫铁调整千斤顶垂直度释放其水平位移[12]。根据变形量在千斤顶上用水平尺标出需下降总行程距离，如变形量超出千斤顶的最大行程，则卸载到一定位置时，将屋面临时固定，更换千斤顶后继续卸载。

卸载过程中由施工负责人统一指挥，每个支架安排一组操作人员，同时控制千斤顶的回落值，记录每一阶段的挠度值，并对屋面斜梁位移进行测量和监控。千斤顶每下降一段行程后检查所有节点及支座连接处是否有异常，直至整体结构卸载完成。

5 结论

该安装技术的实施，解决了弧形屋面双向正交斜放钢梁安装精度难以保证的技术难题。

(1）通过根据拱柱实测几何形位进行吊装单元拼装，提高了拼装精度，实现了一次拱柱与斜梁对接成功，减少了斜梁二次加工和调整等高空工作量，提高了施工效率。

(2）通过设置补间单元代替吊装单元间直接拼接，降低了对接难度，减少了人工、机械消耗，保证了施工质量。

新建中卫南站站房弧形屋面结构的施工质量和各部位变形和位移均达到了设计及规范要求，工程质量良好。