站房屋盖变形式变截面大跨度刚架安装技术

站房屋盖变形式变截面大跨度刚架安装技术摘要：北京南站中央站房钢屋盖结构为适应屋盖椭圆形双拱双曲线的形状要求，屋面刚架呈弧形拱状。跨度、截面高度变化不一，这种刚架各段形式均不相同的变截面刚架目前国内运用较少。安装过程中，通过采用变截面管桁架的现场拼装质量控制、高空安装质量控制，大跨度钢箱梁的高空拼装质量控制钢箱梁高空焊接质量控制等措施，顺利完成安装任务。关键词：钢屋盖；变截面；钢架；安装北京南站中央站房钢屋盖结构由15榀横向刚架、纵向次桁架、封边桁架、南北两端环梁及次梁等钢结构组成，钢材材质均为Q345C，短轴190.5m，长轴324.0m。其中屋盖横向刚架由4根格构柱、中间跨变截面箱形梁及两边三角管桁架组成，轴线间距20.6m。屋盖刚架中间跨钢箱梁随其两端格构柱在弧形轴线上分布，其跨度从46.2-64.4m变化，最大截面为口2400×1100×25×40(mm)，单根钢梁净重量约为108t。屋盖刚架边跨是由弦杆及腹杆组成的正三角形空间管桁架。最大边跨三角形管桁架跨度为46.3m；两端悬挑三角形空间桁架最大跨度为20.8m。格构柱柱脚位于标高9m的钢框架柱上，采用4个D200销轴连接，钢柱与钢梁节点全部为焊接，格构边柱向外侧倾斜，格构中柱向内倾斜；格构柱共计60根，最高格构柱高度为38．5m，重约48t(图1、2)。1屋顶变截面刚架安装难点及对策本工程刚架由变截面管桁架和变截面钢箱梁组成。柱子为变截面倾斜格构柱，且为双曲面屋面形状。此异型刚架在运输、拼装、安装、焊接等方面难度极大，针对刚架特点采用以下对策解决。图l站房刚架结构示意图图2站房钢屋盖结构示意图1．1变截面管桁架及钢箱梁的拼装与安装在工厂分段加工，运抵现场后就近设置划有定位线的拼装胎架，在胎架上进行拼装；安装采用250t履带吊机分段吊装，并在分段点位置设置临时支撑，吊装完毕定位焊接。1．2钢箱梁高空焊接质量控制钢箱梁高空焊接过程中容易产生焊接应力及变形、通过焊前预热、焊后缓冷、应力控制及定位板固定等技术措施予以解决。1．3安装过程中的空间定位在吊装格构柱时首先保证柱脚定位准确，柱顶定位采用全站仪三维坐标定位；吊装钢箱梁及管桁架时，先用计算机1：1建模，然后得出各分段点三维坐标，用全站仪进行测量控制。2变形式变截面大跨度刚架拼装、安装技术2．1刚架格构柱的安装技术刚架共有60根格构柱分布于15根轴线上。格构柱是由两根H形单肢柱(最大截面为llOOmm～400mm～20mm～40mm)，中间通过斜缀条及水平缀条焊接而成。中间跨两端倾斜格构柱上端与刚架桁架中间箱形梁端下表面通过焊接连接；两侧竖直格构柱上端在格构柱两个单肢上分别焊接端头连接板，再通过螺栓与刚架桁架下弦杆进行连接。格构柱与站厅层钢柱顶端采用销轴铰接形式进行连接。吊装时，中间跨两端共14榀倾斜格构柱采用250t履带吊机吊装，并在其倾斜侧设置临时支撑辅助就位的方式进行安装；除此之外的倾斜格构柱及两侧竖直格构柱，按其平面所处位置采用就近150t或250t履带吊机整体直接就位的方式进行安装，如图3所示。2．2三角形空间管桁架的现场拼装技术三角形空间桁架主要杆件截面形式为：上弦杆采用￠351×14和￠351×12两种钢管；下弦杆采用仍￠219×14和￠219×12两种钢管；腹杆主要采用￠180×12、￠159x10、￠133×6、仍￠114×6等规格钢管。在进行横向刚架边跨及悬挑部分的三角形空间桁架拼装时，均在专用的拼装胎架上进行，胎架由路基箱板组成。为防止拼装时焊接变形，采用定位型钢固定杆件。图4、5、6、7以柱顶次桁架的一个吊装单元的拼装步骤为例，对空间三角形桁架的拼装进行说明。×图3刚架格构柱安装图4在设置好的拼装胎架上画出构件定位参照线图5采用汽车吊对桁架上下弦杆在拼装胎架上定位图6定位桁架腹杆后进行焊接，完成桁架吊装单元拼装图7三角形空间管桁架拼装施工照片2．3三角形空间管桁架的安装技术边跨及悬挑部分三角形空间管桁架吊装根据桁架的跨度及重量分两种情况：(1)在⑤一⑤、⑨-⑦轴线上，边跨及悬挑桁架整体跨度均在34．0m以内，重量不超讨35．0t．此部分桁架采用就近的250t及150t履带吊机进行吊装；(2)◎、⑩和①一⑩轴线上，边跨及悬挑桁架分两段，边跨段由250t履带吊机吊装，悬挑桁架分段由150t履带吊机吊装，分段位置设在边跨桁架靠近其外侧格构柱的位置。在进行边跨及悬挑空间三角桁架吊装时，在悬挑桁架的外端及边跨桁架的分段位置设置临时支撑托架(图8)。图8三角形空间管桁架吊装施工照片2．4变截面钢箱梁的安装技术箱形梁截面变化以箱梁中心点为对称线，分两步使截面由2400xl100x25x40(mm)变为2200×800×25×40（mm)：先是从端头至1492mm长度上钢梁宽度由1100mm逐渐变为800mm，再从7502-16303mm长度上大梁高度由2400mm变为2200mm。钢架中部的钢箱梁为两端部变截面过渡到中间为等截面的弧形梁，箱形梁中间段主体等截面有：l600x800x20x40(mm)、1800×800×20×40(mm)、2000×800×20×40(mm)、2200×800×25×40(mm)四种规格。针对箱形梁空间弯曲、变截面等特点以及为方便长途运输，将箱形梁制作分为三大段即两端变截面弯曲段及中部纯弯曲段。因单根箱形梁重量较重，吊装时采用行驶在纵向中央通道的250t履带吊机分段吊装、设置临时支撑托架辅助就位的方式进行安装。分段吊装方为：先在结构平面上与箱形梁分段位置相对应处设置临时支撑托架；采用履带吊机先吊装两端箱形梁分段，最后吊装中间分段；吊装完成后定位调整焊接。以临近中轴处①轴为例，主要吊装流程见图9、10、11。2．5现场安装测量定位控制技术三角形空间桁架及主梁安装时，采用全站仪坐标放线控制支撑托架的标高及平面位置，以保证三角形空间桁架及主梁定位的正确。当支撑托架位于结构平图lO变截面梁现场安装照片一图11变截面梁现场安装照片二面上，南北两端外缘位于自然地坪处的临时支撑托架设置时，先将地面平整后，在需设置临时支撑的位置铺设路基箱，在路基箱上设置临时支撑托架以保证其稳定且避免支撑托架受力后沉降。根据主体结构杆件的吊装分段尺寸，吊装前应对临时支撑的定位进行控制，划出临时支撑定位线，将预先制作好的临时支撑安装到位，定对十字线，并加以明显标记。用全站仪检测支撑顶标高是否控制在预定标高之内。主体结构杆件的吊装定位全部采用全站仪进行精确定位，通过平面控制网和高层控制网进行坐标的转换，在吊装过程中对构件两端进行测量定位。发现误差及时修正。2．6构件安装接头焊接质量控制技术进行三角形空间桁架及主梁安装采用支撑托架安装时，采用控制支撑托架的标高及平面位置来保证三角形空间架及主梁定位的正确。2．6．1优化焊接顺序构件吊装就位调整完毕后即开始进行焊接。焊接施工过程应根据各类构件吊装前后顺序及构件在整个结构体系中的位置采取合理的焊接顺序。2．6．2横向刚架中间跨箱形梁高空焊接接头措施为避免箱形梁吊装就位及焊接时产生侧向移动，造成箱形梁变形，在箱形梁分段吊装的临时支撑托架上段设置定位板(图12)。图12箱梁焊接接头处理措施示意图2．6．3桁架钢管安装对接接头措施拼装、分单元安装及焊接过程中，为保证桁架钢管对接接口的对位准确，在对接口处沿圆管的圆周方向均匀布置三块定位板，在构件定位后通过定位板进行临时焊接固定。定位板还能有效地控制钢管在焊接时产生焊接变形(图131。图13桁架钢管安装对接接头措施3结语通过采用本项施工技术，成功地完成了北京南站工程站房钢屋顶变截面刚架的制作安装，既保证了工程质量，又满足了工期要求，取得了较好的经济效益及社会效益。同时我们可以看到，屋面变截面刚架安装技术通过转换后在以后的钢结构大跨度及异型构件安装中仍然有着较为广泛的应用前景，为其他类似工程提了经验。