多跨连续超大面积雨棚钢结构屋盖施工技术探析

多跨连续超大面积雨棚钢结构屋盖施工技术探析摘要：本文结合深圳北站雨棚钢结构屋盖实际，对空间钢结构的进行了，对多跨连续组合梁超大面积的雨棚钢结构屋盖施工方法提出了建议，与同行交流讨论。关键词：超大面积雨棚钢结构；屋盖；设计；施工1.工程概况深圳北站位于深圳市龙华镇二线扩展区的中部地区，东连梅观高速公路，西接福龙快速路和水源保护区，南邻白石龙居住组团，北有未来龙华中心区。该站属深圳重要交通枢纽，地铁4、6号线南北向高架穿越主站房；平南铁路和新区大道分别于东西向和南北向地下穿越站台及雨棚。该工程包含主站房及站台雨棚两部分，总建筑面积为181035㎡。其中：本文所述的无站台柱雨棚面积就达到了68024㎡。站台雨棚被主站房分为绕轴对称的左右两翼。雨棚钢结构屋盖下部为填芯混凝土钢管柱网，柱顶部汇交四向分叉钢管斜柱，以此作为屋盖单元的支撑体系。屋盖下弦采用四边形拉索结构，上弦采用东西向弧形和南北向直线形的箱梁加H型梁的正交单层组合钢梁结构，上下弦结构利用竖向撑杆和斜拉钢棒相连接，由此组成了结构轻盈、造型美观、面积超大的连续多跨空间结构体系。下面给出了雨棚钢结构轴测示意图、及部分实物图片。雨棚斜柱及上弦单层钢梁现场安装实物图雨棚屋盖下弦拉索完成（并吊顶装饰）实物图2.雨棚钢结构屋盖体系设计分析本工程屋盖四边形环索弦支结构是设计的重点，由此实现了结构上弦弧形加直线形单层组合钢梁的轻巧构造，在钢结构构件断面尺寸较小的情况下得到了较大的跨度空间，并一改常用的鱼腹式张弦梁结构，首次大胆采用了四边形环形拉索结构，利用斜拉钢棒和竖向撑杆、通过设计巧妙的钢结构节点相连。使整个屋盖成为既轻盈美观又有大跨度空间的理想结构。钢构件主要尺寸：钢柱Ø900×30、斜柱Ø700×30、箱梁-20×650×350、H梁350×250×6×12。钢结构设计的典型节点主要有：1）钢管柱顶部汇交四向分叉钢管斜柱节点；2）主次梁不等高且不等截面连接节点（方管主梁、H钢次梁连接节点）；3）斜柱顶部节点（弧形主梁、拉杆耳板、斜柱顶部汇交节点）；4）竖向撑杆顶部节点（H钢主次梁连接，下部连接竖向撑杆耳板节点）等。结构示意图如下所示：（1）（2）（3）（4）钢结构主要节点示意图上述新颖的结构设计，给结构施工提出了较高的要求，对施工方法的采用及施工过程的控制，需打破常规，研究探讨切合本工程实际的新的施工思路。3.钢结构施工方法分析3.1、在工程开始的最初阶段，我们选取了一些钢结构施工的常用方案，如填芯混凝土钢管柱的吊装，采用分段分节吊，按现场的场地条件和钢柱的分段重量，选择相应的吊车进行吊装。关键是柱帽节点（上图节点1）的吊装，为尽量消除结构安装误差，柱帽节点中的下段钢柱，采用了按需要长度下料的方法，即根据现场已吊装完成的柱顶标高数据进行实测控制，按所需剩余长度加工柱帽节点，保证了整体柱子标高的精确性。3.2、按结构的特点，重点需要讨论的施工方法是屋盖结构的安装。原定方案是屋盖整体吊装。拟采用双履带吊抬吊，吊装单元只能是柱帽斜柱区域，如下图：①局部屋盖示意图②先吊装钢柱、柱帽及斜柱③屋盖整体吊装单元示意图则上图③所示屋盖单元需在地面进行整体拼装，且包括拉索拉杆均需拼好。再采用2台50吨履带吊双机抬吊到安装位置，吊装单元在地面拼装过程中，单元内的索需要进行初张，以使吊装单元能成为一个稳定单元。吊装单元间的部分全部采用高空散装的方法进行安装。上述施工方法按常规分析安装工效：钢结构与拉杆拉索形成整体单元吊装，工效高、成本省，且地面整体拼装质量容易控制，尽量减少了高空作业，符合钢结构安装工艺的要求，方案是合理可行的。但是，在实际施工开始后，随着现场情况的发展，整体吊装单元仅仅做了两个样板拼装段，就无法继续下去了。原因是：工期紧迫，各个其它工种陆续进场交叉施工，特别是，雨棚站台墙的同时开工，致使场地条件完全达不到钢结构整体吊装的行车要求。在此情况下，必须另辟蹊径，寻找适合现场实际，又能符合本结构安装要求的方法进行施工。3.3、本工程屋盖实际使用的施工方法在取消原有的屋盖整体吊装后，通过对结构的认真研究分析，无论雨棚的面积超大，还是多跨连续等特点，各单元位置都是相关联的，而且都是以节点互相连接，并且最关键的节点就是前述节点3，我们称之为斜柱上节点。因此，实际施工中，采用了制作临时格构式支撑架将斜柱与上部屋盖节点对接后进行单根定位吊装的方案。该方案的优点是：单机作业的吊车吨位较小，且均采用汽车吊，机动灵活，无须大规模的拼装胎架，占用场地较少，且具备多点多个工作面可同步进行施工的特点。略显不足的是：每根斜柱均需设置临时支架，支架一次性投入较大，单根吊装节点定位难度较大。临时支撑斜柱加节点单根定位吊装实物图屋盖梁按先主后次顺序逐根安装4.实际施工时重点、难点讨论根据最终确定的的施工方案：依靠临时支架，斜柱加节点单根定位吊装，这就意味着本工程安装的重点和难点就是斜柱上节点的空中定位。因为，整个雨棚结构共六万多平方米，共有70个伞状斜柱单元、280个斜柱上节点需要在空中单独定位安装，节点的定位准确与否，直接关系到后续主次钢梁的安装是否能顺利进行，更加关系到后续屋盖下弦的四边形拉索及撑杆和钢拉棒能否精确安装到位。针对节点定位的重要性，施工时采取了以下几个主要控制步骤：①利用全站仪全过程监测，先将上节点与斜柱在地面进行对接，控制对接时轴线形心位置，定位焊接，确保节点形心轴线与斜柱形心轴线误差在2mm以内。②设立牢靠的临时支架，支撑于斜柱上节点，临时支架底部基础夯实并加垫钢板，支架用四向缆绳固定，在上部屋盖结构未连成整体之前禁止拆除缆绳，以确保水平位移在可控范围内。③斜柱采用三点起吊，与上节点相关的吊点采用手拉葫芦进行调节。用两台全站仪跟踪控制测量定位上下两端：斜柱下端与柱帽节点对接，斜柱上端搁置在临时支架上。④斜柱与下端的柱帽对接相对容易，在测量控制时先定好下端，并用钢码板临时连接固定后，重点定位测量斜柱上端节点：利用手拉葫芦进行节点标高的调整；至于水平位置的测定，在立临时支架时，就已预先确定了待装节点的中心的XY坐标，并在支架顶上设置了钢性标记，斜柱上节点搁置到支架预设位置后，在节点上另取一个控制点进行测量闭合，并在临时支架顶上使用千斤顶进行水平位置微调。由此最终确定斜柱上节点点位，并与支架上端临时支托钢板钢性连接固定。⑤斜柱定位完成后，尽快将与下端柱帽对接口焊接，使柱帽、斜柱、节点及临时支架形成钢性整体，尽量避免二次变形发生。⑥当一个单元内的四根斜柱及节点都吊装定位结束后，尽快将该单元的四根连接四个节点的屋盖主梁吊装完成（包括两根弧形箱梁和两根直箱梁），形成较为稳定的边框，然后再进行剩余的次梁填充安装。按以上步骤完成各个斜柱单元安装，再完成单元与单元之间的安装。回顾工程现场的进展过程，土建道路土方开挖，各种管线铺设，机电设备及装饰装修等各工种的交叉施工，在这样错综复杂的作业环境条件下，雨棚钢结构斜柱加节点单根定位吊装的施工方法机动灵活，是最切实可行的。5.施工技术中部分细节措施或亮点①临时支架系统临时支架采用了法兰连接组装的格构式支架系统，该支架拆装方便，尺寸可按1.5米或2米等订做，且可受承载力大，受力稳定，重复利用率高，装运方便。如下图所示：②斜柱开槽内装雨水管斜柱断面如下图所示，在安装时，斜柱开槽方向朝上，该构造既满足了结构受力要求，又将雨水管巧妙地装在了这个槽里面，解决了排水问题，同时又使得外观简洁大方。斜柱断面示意斜柱槽内安装了雨水管外露焊缝面打磨③外露焊缝表面打磨平整根据装饰效果要求，雨棚钢结构所有外露焊缝均需打磨至与母材平，这似乎超过了钢结构规范的一般要求，但从实施情况来看，确实达到了预期的外观效果。仅供同行参考。6.结束语深圳北站站台雨棚作为钢结构用于大型公用建筑类结构的典范，综合了钢结构、悬索结构等共同特点，将使用功能与建筑美学有机结合。通过以上雨棚钢结构设计与施工分析，对多跨连续超大面积的单层钢结构有了充分的了解与认识，通过剖析结构特点，抓住重点节点，结合现场实际，采用经济合理的施工技术，达到了设计要求。