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鋼結(jié)構(gòu) | 大跨度拱形鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究

廣東建筑工業(yè)化展     2018-03-02     1106

 

概況

 

沈陽南站中央站房屋面鋼桁架結(jié)構(gòu)東西長(zhǎng)286.5m,屋面桁架南北向跨度為21m+66m+21m,兩側(cè)懸挑8.0m?;局W(wǎng)10.5m×21.5m、10.5m×24m。,高架層結(jié)構(gòu)標(biāo)高為8.745m,夾層結(jié)構(gòu)標(biāo)高16.400m,屋頂結(jié)構(gòu)標(biāo)高29.91~37.51m(見圖1)。

圖1  中央站房鋼結(jié)構(gòu)三維效果圖

 

方案選擇

 

中央站房8~15軸柱間跨度達(dá)66m,該段構(gòu)件總重31.7t,柱頂平面桁架整體起拱幅度約9.45m(見圖2-6)。

圖2  中央站房橫向桁架分段立面示意圖

圖3  中央站房橫向桁架分段一重量8.3t

圖4  中央站房橫向桁架分段二重量11.7t

圖5  中央站房橫向桁架分段三重量10.7t

圖6  中央站房橫向桁架分段四重量3.5t

 

中央站房跨拱桁架安裝方案可以整體提升和分段吊裝兩種施工方案,每種方案都有自身的優(yōu)劣性。

 

方案一為分段吊裝法,此方案優(yōu)點(diǎn)在于:主桁架地面多個(gè)工作面同時(shí)提前拼裝有利于工期保證;對(duì)下層混凝土樓板影響小;支撐胎架循環(huán)利用,投入量少;分段吊裝在屋蓋結(jié)構(gòu)成型過程中,桁架桿件內(nèi)力變化影響小。缺點(diǎn)在于:施工機(jī)械型號(hào)較大,費(fèi)用高;高空施工作業(yè)量相對(duì)較多。

 

方案二整體提升法,此方案有點(diǎn)在于:整體拼裝質(zhì)量高;高空施工作業(yè)量少。缺點(diǎn)在于:9m層混凝土樓板需要達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,才能進(jìn)行桁架拼裝,不能提前進(jìn)行,對(duì)總工期不利;樓板拼裝占用大量作業(yè)面,對(duì)其他工作開展不利;桁架起拱高,拼裝時(shí)投入腳手架用量非常大,提升至安裝完畢,桁架可看成簡(jiǎn)支梁轉(zhuǎn)化成連續(xù)梁的過程,結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力變化較大。

 

考慮到工程整體工期緊張,同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力變化更加有利,更加節(jié)約費(fèi)用,綜合比較后選定方案一,即分段吊裝法。中央站房8~15軸柱間桁架可分成3段進(jìn)行吊裝。分段處無下部柱支撐,因此需搭設(shè)支撐架:

 

使用400t履帶吊吊裝鋼柱、夾層梁及6~8軸和15~17軸橫向主桁架、縱向主桁架,形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系,然后吊裝該區(qū)域橫向次桁架、縱向次桁架及懸挑端分段單元(即分段一)。66m跨的橫向桁架分為三段吊裝,在分段處設(shè)置支撐架,支撐架高度26.9m。施工過程中支撐架循環(huán)利用,但需保留縱向兩個(gè)柱距內(nèi)的支撐架,以防止整體結(jié)構(gòu)成形前的過度變形。

 

方案驗(yàn)算與實(shí)施

 

3.1中央屋蓋鋼結(jié)構(gòu)方案驗(yàn)收與實(shí)施

3.1.1鋼結(jié)構(gòu)吊重驗(yàn)算

(1)CC2400-1型400噸履帶吊塔式工況性能(見圖7)。

 

圖7  48米主臂+72米副臂塔況

 

(2)鋼柱吊重驗(yàn)算

本工程高架夾層16.280m標(biāo)高以下鋼管混凝土柱截面為P1600×35,高架夾層16.280m標(biāo)高以上鋼柱截面為P1400×35,根據(jù)鋼柱分布特點(diǎn)及履帶吊吊機(jī)性能,將鋼柱分為兩段,以18.500m標(biāo)高處為分段位置。

圖8  中央站房鋼柱分段示意圖


對(duì)吊裝性能要求最高的中間柱第二段進(jìn)行吊裝工況分析,滿足吊裝要求。

 

(3)主桁架吊重驗(yàn)算

本工程主桁架采用站房?jī)蓚?cè)2臺(tái)400噸履帶吊塔式工況進(jìn)行吊裝。橫向主次桁架共分7段,其中66m跨桁架分3段、兩側(cè)跨各分2段(見圖9)。

圖9  中央站房橫向主次桁架分段示意圖

 

?第一分段吊裝工況分析(見圖10、見表1)。

圖10  第一分段吊裝工況分析圖

表1  第一分段吊裝工況分析表

 

?第二分段吊裝工況分析(見圖11、見表2)。

圖11 第二分段吊裝工況分析圖

表2  第二分段吊裝工況分析表

 

?第三分段吊裝工況分析(見圖12、見表3) 

圖12  第三分段吊裝工況分析圖

表3  第三分段吊裝工況分析表

 

3.1.2施工過程的分析及方案的實(shí)施

(1)施工過程受力及變形模擬說明

鋼結(jié)構(gòu)安裝過程是一個(gè)逐步累積的過程,該過程中,結(jié)構(gòu)的受力和邊界條件是依時(shí)變化的。因此,構(gòu)件的最大內(nèi)力狀態(tài)或最終狀態(tài)與設(shè)計(jì)時(shí)整體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果會(huì)因不同的施工工藝或順序而有較大差別。為保證鋼屋蓋施工過程和安裝完成后結(jié)構(gòu)的安全,需進(jìn)行施工過程模擬分析。施工過程分析采用大型通用有限元軟件MIDAS GEN/8.0進(jìn)行,得出鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的內(nèi)力和變形情況。

 

(2)計(jì)算模型

由于中央站房東西方向結(jié)構(gòu)單元布置相似,現(xiàn)選?。ㄗ畈焕┑湫蛦卧蚣堍?J軸至Ⅱ-K軸,屋蓋桁架Ⅱ-J軸至Ⅱ-K軸)進(jìn)行施工模擬(見圖13)。

圖13  施工模擬MIDAS模型

 

結(jié)構(gòu)單元。

鋼管混凝土柱采用SRC材料和結(jié)構(gòu),支撐架腹桿采用桁架單元,其余全部采用梁?jiǎn)卧M。

 

荷載條件。

根據(jù)實(shí)體模型,自重系數(shù)取1.0。

檁條、檁托采用線荷載的方式加載于對(duì)應(yīng)橫向桁架上弦,等效荷載取1.53kN/m。

 

采光玻璃天窗支架采用節(jié)點(diǎn)荷載的方式加載于玻璃天窗下方縱橫向桁架上弦節(jié)點(diǎn),等效荷載取5.0kN。

 

邊界條件。

鋼管混凝土柱底部剛接。

支撐架底部鉸接,不考慮底部加固措施的有利作用;對(duì)支撐架頂部進(jìn)行Y、Z向和轉(zhuǎn)角約束釋放(見圖14)。

 

圖14  支撐架頂部約束釋放示意圖

 

(3)施工過程分析及方案的實(shí)施

 

第一步、吊裝鋼管混凝土柱,樓層鋼梁。

受力分析:運(yùn)用軟件模擬分析受力,樓層鋼梁最大應(yīng)力39.3MPa,符合設(shè)計(jì)要求。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施圖

 

 第二步、安裝屋蓋主桁架,形成穩(wěn)定框架。

受力及變形分析:最大豎向變形13.1mm,出現(xiàn)在樓層鋼梁處,桁架豎向變形?。粭U件最大應(yīng)力38.72MPa。

 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施圖

 

第三步、安裝屋蓋次桁架,形成完整整體;在8.745m標(biāo)高樓面搭設(shè)支撐架。

受力及變形分析:最大豎向變形13.04mm,出現(xiàn)在樓層鋼梁處,桁架豎向變形小;桿件最大應(yīng)力38.23MPa。

 

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施圖

 

第四步、安裝屋蓋跨中第二段桁架。

受力及變形分析:最大豎向變形13.05mm,出現(xiàn)在樓層鋼梁處,桁架豎向變形小;桿件最大應(yīng)力38.53MPa。


現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施圖

 

第五步、安裝屋蓋跨中第一段桁架。

受力及變形分析:最大豎向變形13.05mm,出現(xiàn)在樓層鋼梁處,桁架豎向變形??;桿件最大應(yīng)力38.49MPa。


現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施圖

 

第六步、安裝屋蓋跨中橫向次桁架。

受力及變形分析:最大豎向變形13.04mm,出現(xiàn)在樓層鋼梁處,桁架豎向變形?。粭U件最大應(yīng)力38.51MPa。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施圖

 

第七步、安裝屋蓋跨中縱向次桁架。

受力及變形分析:最大豎向變形13.04mm,出現(xiàn)在樓層鋼梁處,桁架豎向變形??;桿件最大應(yīng)力38.5MPa。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施圖

 

第八步、屋蓋卸載,拆除支撐架。

受力及變形分析:最大豎向變形27.2mm;桿件最大應(yīng)力45.2MPa。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施圖

 

第九步、安裝檁條、玻璃天窗。

受力及變形分析:最大豎向變形36mm;桿件最大應(yīng)力47.51MPa。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施圖

 

結(jié)語

 

(1)本工程中央站房66m跨大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架采用分段吊裝、高空合攏的吊裝方案進(jìn)行吊裝,C、D兩個(gè)流水段共用時(shí)4個(gè)月完成了12000t鋼結(jié)構(gòu)的吊裝工作,為確保工程總體施工進(jìn)度打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

 

(2)本工程大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架施工過程中,結(jié)構(gòu)最大變形36mm,最大應(yīng)力45.51Mpa,結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。分段吊裝施工與結(jié)構(gòu)一次成型相比,附加變形1.9mm,附加應(yīng)力1.2MPa,附加變形和附加應(yīng)力均較小,滿足施工要求。分段吊裝、高空合攏吊裝方案安全合理。

來源:科技建工 北京分公司

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