武汉火车站:大跨度异形空间曲面钢桁架安装工艺

作者:蒋官业 王朝阳 贺振科 袁海军 熊凤霞    
时间:2012-11-19 09:56:20 [收藏]
武汉火车站钢结构包括中央站房结构、楼面结构、雨棚结构和附属结构。中央站房部分为武汉站施工最为复杂的区域,在有限的空间与时间的前提下,采用了桁架散件与片状结合安装技术,实现了中央站房的高质与快速施工
    关键词:武汉火车站 大跨度异形空间曲面钢桁架安装

    [摘 要]: 武汉火车站钢结构包括中央站房结构、楼面结构、雨棚结构和附属结构。中央站房部分为武汉站施工最为复杂的区域,在有限的空间与时间的前提下,采用了桁架散件与片状结合安装技术,实现了中央站房的高质与快速施工。
          [关键词]:大型滑移胎架     吊装单元划分

    1  工程概况

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    图1 武汉站三维示意图
     

    中央站房由五个主拱作为支撑,截面为椭圆变截面钢管,单拱最大跨度116m,最大拱顶中心标高为58.157m,拱上有树枝状V型锥管支撑,用于支撑纵横管桁架形成的屋盖结构,见图1。屋盖投影面积为307.813m×184.00m,纵横桁架将屋盖结构划分为58×33个单元网格,横轨桁架为空间双曲双拱结构,顺轨桁架为平面桁架,横轨桁架为屋盖结构的主受力构件。

    2  总体方案选择

    武汉站建筑造型、结构形式以及现场施工环境,采用“大型滑移胎架”进行施工,即在结构原位下方分区搭设大型滑移胎架支撑体系,结构部件吊至高空组对安装,结构单元片区形成整体稳定后,胎架滑移至下一区间施工。
          本项目在施前还针对大跨度钢结构其它常见施工方案进行了思考,但都局限于武汉站的特点而不适合。
          A、原位胎架施工法
          针对一些工期相对轻松的工程,原位胎架(原位满堂脚手架或胎架)具有施工安全、方便定位等优点,但本工程施工工期十分紧张,原位设置脚手架,其安拆时间过长,将极大的影响后续土建施工。
          B、提升施工法
          对于规整的单层、支撑简洁的多层平面结构,比较适合采用提升法施工。
    就本工程而言,结构刚度相对较弱,提升点的布设困难;支撑体系复杂,高空对接就位质量难以保证;提升施工不可预见风险较大,结构体系见图2。
     

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    图2 钢结构与桥梁关系

    3  吊装单元的划分与选择

    选定了胎架滑移施工整体安装方案,吊装单元的划分与选择方式又将成为研究的重点,其对施工质量与进度影响重大,针对桥建合一武汉站的特点,共有三种单元划分形式:1、散件(相贯杆件)高空拼装;2、大单元地面拼装整体吊装;3、散件与片状结合施工。

    3.1 散件(相贯杆件)高空拼装
          主要施工方法:桁架所有杆件在工厂下料,高空直接组对相贯口及所有节点板,见图3。
          方案优点:A、相对减少工厂及地面拼装工作量,降低了构件运输要求;B、杆件直接焊接,相对减少了现场对接接头。
          方案缺点:A、单节点相贯杆件数量较多且重叠相贯,另有多板穿插其中,组对、施焊时须先后进行,部分焊缝在高空无法施工焊,质量难以保证;B、现场施工工作量增大(112300个相贯口、11500块穿心节点板、9870个非穿心节点板、34300块加劲板),工期难以保证;C、现场安装测量定位困难,施工质量难以保证,不可控因素多;D、节点焊接量大且集中,焊接变形大,容易形成较大的焊接残余应力,对结构整体受力不利。
     

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    图3 多管相贯节点示意图

    3.2  大单元地面拼装整体吊装
          主要施工方法:将2-3榀桁架在拼装场地进行整体拼装后,采用大吨位吊装设备吊装就位。
          方案优点:A、结构整体性相对较好;B、减少高空焊接工作量;
          方案缺点:A、现场施工场地狭小,无法提供拼装作业面,只能进行场外拼装,但限于道路及桥梁施工影响很难运输;B、两片结构体积通常达18.75m*8m*7.5m,单块整体刚度较差,吊装运输时容易造成结构永久性损坏;详见图4。

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    图4大单元吊装示意图


          3.3  散件与片状结合施工
          主要施工方法:根据现场运输道路及塔吊起重能力将桁架分成部件(高度大的分上下弦及腹杆,其它的整片分段)高空进行吊装。
          方案优点:A、不受拼装进度的影响,可多点位展开施工;B、合适的构件大小(构件体积18m*3m*2m),能充分高效的发挥常用运输和吊装机械的能力;C、将整个工程的工作量合理的分配给加工厂和现场安装,更充分的发挥了各自的优势;D、将复杂节点(多管相贯和多板贯穿杆件以及加劲板的焊接)的焊接放在了加工条件更好的工厂施工,更好的保证了工程质量;
          方案缺点: A、相对增加了现场对接接头;B、变形需严加控制。
    综上,三种吊装单元的划分均有其优势及缺点,根据武汉站钢结构的特点,选择 “散件与片状结合施工”。

    4  具体的分段原则

    4.1  桁架分段示意图详见图5

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    图5 桁架分段示意图一

    4.2  桁架分段拼装示意图详见图6

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    图6 桁架分段示意图二(工厂加工)

    4.23 桁架节点示意图详见图7

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    图7 节点示意图

    5  结论

    通过采用片状与散状结合安装技术,实现了钢结构桁架的快速定位,高质焊接,大大促进行了现场的工期与质量,为后续专业尽快插入施工提供了条件,同时此技术为此后大跨度空间桁架结构的安装提供了参考,拓宽了思路。

    参考文献
          【1】《钢结构工程施工质量验收规范》GB 50205-2001
          【2】《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002
          【3】严慧 我国大跨度空间钢结构应用发展的主要特点 2002(04) 
          【4】鲍广? 钢结构施工技术及实例 2005 
          【5】董石麟;罗尧治;赵阳 大跨度空间钢结构的工程实践与学科发展 2005

    作者简介:蒋官业,中建钢构有限公司武汉分公司总工程师。
          联系地址:武汉市武珞路456号新时代商务中心40层,430070。
     

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