鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協(xié)會
建筑鋼結構分會主辦
唐山火車站站房懸挑結構是目前我國鐵路項目設計的第一個大型懸挑結構工程。通過介紹懸挑結構的施工流程、技術準備、具體實施和措施保障等，到最終順利完成大跨度懸挑結構安裝的全過程，分析安裝施工過程中的重點和難點以及先進技術和措施，及時總結得失，為以后類似的工程施工提供參考和借鑒。
[關鍵字]：大跨度 ；組合體；結構平衡；結構穩(wěn)定
津秦客運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，北新西道東南側，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計進行了大膽創(chuàng)新，特別是東、西兩側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。寓意了唐山新世紀蓬勃發(fā)展、蒸蒸日上的朝氣，預示了唐山城市發(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。
圖1 唐山火車站大型懸挑門框效果圖
站房懸挑結構位于站房高架層東西兩端部位，懸挑結構由單片次桁架組成，最大懸挑達28米，最小懸挑為2.3米；懸挑結構之間由單片主桁架及區(qū)塊次結構連接，單片主桁架長度為9~12米。具體結構特點詳見下圖2-5所示：
圖2 唐山火車站大型懸挑結構安裝技術 懸挑單片次桁架及撐桿
圖3 唐山火車站大型懸挑結構安裝技術 單片主桁架
圖4 唐山火車站大型懸挑結構安裝技術 區(qū)塊次結構
圖5 唐山火車站大型懸挑結構安裝技術 H型鋼梁
1. 工程重難點
1.1場地條件限制
由于現(xiàn)場場地條件的限制，現(xiàn)場無法進行支撐架的設置。同時大型吊機只能固定一處進行安裝作業(yè)，為配合本方案進行懸挑結構的安裝，需要另外的大型汽車吊配合安裝，場地限制捉襟見肘。
1.2懸挑結構安裝方法困難
由于懸挑結構都為單片形式，且最大懸挑達到28米，如設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構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，懸挑結構的安裝標高及懸挑端部的左右位移將很難得到有效控制
2. 懸挑結構安裝思路及順序
根據(jù)懸挑結構的安裝特點，結合現(xiàn)場實際情況。在進行懸挑結構安裝時，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。當該組合體吊至設計安裝位置后，先將斜撐桿與混凝土柱上的預埋件通過銷軸連接固定起來，再通過吊機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構桁架對接，同時懸挑單片次桁架懸挑端部通過攬風繩調節(jié)側向位移，并起到臨時固定作用。最后，施工人員在次桁架上、下弦桿同時進行焊接。在焊接作業(yè)完成后，履帶吊機才能松鉤。
由于H型鋼梁在懸挑結構之間都有設置，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，在進行懸挑次桁架的安裝時，除通過攬風繩控制次桁架懸挑端部位移外，攔風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，這樣對懸挑結構在安裝時的臨時穩(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行安裝，這樣從結構上形成了一個穩(wěn)定的區(qū)塊。
再根據(jù)整體結構設計形式看，懸挑結構南北兩側懸挑長度為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，這四個懸挑結構無斜撐桿），所以整體安裝將從一側向另一側（即由北向南安裝或由南向北安裝）進行。
按照上述這些安裝思路及順序，相鄰之間的懸挑次桁架、中間次結構連續(xù)安裝，最后完成整個懸挑結構的安裝。
按照圖紙要求和上述思路，鋼結構站房安裝順序如下（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軸之間次結構安裝（含H型鋼梁）
14軸單片懸挑次桁架安裝
14~15軸之間次結構安裝（含H型鋼梁）
13軸單片懸挑次桁架安裝
13~14軸之間次結構安裝（含H型鋼梁）
……2軸單片懸挑次桁架安裝（不含撐桿）
2~3軸之間次結構安裝（含H型鋼梁）
1軸三角懸挑次桁架安裝（不含撐桿）
1~2軸之間次結構安裝（含H型鋼梁）
施工順序如下圖6所示（以西側Ⅲ段懸挑結構安裝順序為例）：
圖6 唐山火車站大型懸挑結構安裝技術:懸挑結構
3. 懸挑結構安裝流程
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重要，詳見下列步驟圖：
第一步：事先設置馬蹬（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。
第二步：將懸挑單片次桁架吊至撐桿上方。
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。
第四步：當耳板對接好后，保持銷軸孔對齊，然后將銷軸穿入其中。
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，大致達到設計角度要求（鋼絲繩長度根據(jù)角度要求設置，約比設計要求長50cm左右）
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。
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。
4. 現(xiàn)場安裝關鍵技術
4.1組合體組合技術
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行安裝作業(yè)，又由于支撐桿最大單重近達10噸左右，僅靠一個銷軸將單片桁架與支撐桿結合在一起，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
當組合體組合完成后，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
當組合體安裝至設計位置后，由于單片體系屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，為整個結構的臨時穩(wěn)定，同時方便焊接施工，組合體在懸挑端部設置攬風繩，減小端部的強烈晃動，并且在尾部加強對原主結構的臨時固定，將尾部的左右和中間方向設置手拉葫蘆，這樣尾部的穩(wěn)定則不會影響焊接質量。
[page]5. 吊裝變形驗算
1.1 結構計算復核條件
懸挑桁架吊裝驗算采用有限元軟件SAP2000 12.01版本計算，結構吊裝動力系數(shù)取1.2，選?、噍S懸挑桁架進行計算復核，如圖7~15。
圖7 唐山火車站大型懸挑結構安裝技術:⑧軸吊裝單元
圖8 唐山火車站大型懸挑結構安裝技術:桿件截面
1.2 結構吊裝變形驗算
圖9 唐山火車站大型懸挑結構安裝技術:12號節(jié)點豎向位移17.03mm
圖10 唐山火車站大型懸挑結構安裝技術:5號節(jié)點豎向位移11.3mm
圖11 唐山火車站大型懸挑結構安裝技術:28號節(jié)點豎向位移13.1mm
圖12 唐山火車站大型懸挑結構安裝技術:23號節(jié)點豎向位移9.4mm
圖13 唐山火車站大型懸挑結構安裝技術:27號節(jié)點豎向位移12.3mm
圖14 唐山火車站大型懸挑結構安裝技術:8號節(jié)點豎向位移15.7mm
圖15 唐山火車站大型懸挑結構安裝技術:3號節(jié)點豎向位移10.97mm
結構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滿足結構吊裝安全要求。
1.3 結構吊裝應力驗算如圖16-17
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