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北京南站站臺雨棚結構設計及安裝方案介紹

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要：本文對北京南站站臺雨棚結構形式進行了簡單介紹及分析，介紹了站臺 雨棚結構的安裝方案及質量保證措施。
    關鍵詞：雨棚結構 安裝方案

    一．工程概況
    北京南站位于北京市南二環開陽橋南約1公里處的東莊公園內。是正在建設中的京津城際列車和規劃中的京滬高鐵的起點。
    北京南站主體結構由中央站房，站臺雨棚及地下換乘大廳三部分組成，如圖1所示?？偨ㄖ娣e24萬m2，總用鋼量約5萬噸。正在建設中的地鐵4號線和14號線在此匯交，實現了地鐵和國鐵的“零換乘”理念。整個項目由鐵道第三勘查設計院設計，中鐵建工集團有限公司總承包，鋼結構加工、制作及安裝由江蘇滬寧鋼機股份有限公司承擔完成。


    二．雨棚結構分析
    北京南站雨棚結構整體透視圖如圖2所示。主要包括塔架柱、柱頂縱向弧形梁及支撐、懸垂梁、懸垂梁間次梁和雨棚外側三角形懸挑屋檐桁架五部分。

    1．塔架柱及懸垂梁
    塔架柱及懸垂梁組成北京南站雨棚結構的主要承重體系?；窘Y構單元如圖3所示。懸垂梁承受豎向荷載，并將豎向荷載傳遞給塔架柱。在南站雨棚結構體系中，懸垂梁的受力機理與常規的鋼梁不同。在某種意義上，懸垂梁是抗彎剛度較大的勁性索。在恒載和活載作用下，懸垂梁內力大部分為沿其軸線方向的拉力。在風吸力等向上荷載作用下，懸垂梁的受力機理類似于倒放的拱結構，其內力大部分為沿軸線方向的壓力。
    基于以上受力機理，北京南站屋面結構體系是一種效率極高的大跨度結構體系。屋面結構輕巧、時尚，可以很輕松的跨越較大的跨度。但懸垂梁結構也會給柱子作用較大的水平拉力，造成柱底彎矩較大。為克服柱底較大的彎矩，將雨棚結構柱設計為A字型的格構柱，將柱子底部截面展開，可以有效提高其整體抗彎能力，提高結構的效率。A形塔架柱如圖4所示。
    懸垂梁主要截面形式為H型鋼，跨度從10m到64m不等，規格為H600×350×10×20和H450×200×8×12。懸垂梁與塔架柱連接采用鉸接連接，連接節點形式如圖5所示。

    2．柱頂縱向弧形梁及支撐
    柱頂縱向弧形梁結構透視圖如圖6所示。環梁分為外環、中環和內環。環梁由圓鋼管和支撐組成，圓鋼管規格為 600×22，所有環梁與塔架柱頂部剛接。既減小了環梁跨度又增加整個雨棚結構的縱向剛度，從塔架柱側面伸出三角形支撐與縱向環梁相連。塔架柱頂縱梁和三角形支撐共同為整個雨棚結構提供縱向抗側剛度。

    3．三角形外邊桁架

    三角形外邊桁架為雨棚挑檐的支撐結構。三角形支撐，檐口鋼管和柱頂環向縱梁形成了三角形桁架結構，整體受力，增加了最外側弧形柱網的抗側剛度。如圖7所示。

    三．安裝方案簡介
    1．安裝總體思路及施工總平面布置
    雨棚結構安裝主要采用高空散裝法進行，施工總體流程圖如圖7所示。首先在雨棚結構安裝范圍內搭設安裝臨時支撐托架，然后吊裝A字型塔架柱。一個弧線上兩榀A字型塔架柱安裝完成后隨即安裝柱頂環梁，使兩榀柱子之間互相連接形成穩定的結構。柱頂環梁安裝完成后即安裝最外側圓弧三角形邊桁架。
    A形塔架柱相互連接在側向形成穩定結構后開始安裝塔架柱之間的懸垂梁，繼而安裝懸垂梁之間的交叉支撐，一個安裝單元結束。吊車移動到下一個軸線，開始下一個安裝單元的安裝。

    雨棚結構安裝施工總平面布置圖如圖8所示。雨棚結構共分為六個吊裝區域，分別為I-1區，I-2區，I-3區，II-1區，II-2區和II-3區。
    2．塔架柱吊裝
    塔架柱安裝主要有兩種情況。（1）當吊車站位距離胎架柱安裝位置較近，吊車的起吊能力滿足塔架柱整體就位要求時，塔架柱將采取地面整體拼裝，整體吊裝就位的安裝方法。如圖9所示。（2）當吊車站位距離塔架柱安裝位置較遠，吊車其中能力不足時，胎架柱將分兩端吊裝就位如圖10所示。

    3．懸垂梁吊裝
    懸垂梁為雨棚結構的主要豎向受力構件，單根主梁長度變化范圍為10m～64m不等。如果采用整體吊裝的辦法，其在起吊過程中的整體穩定性將是比較突出的問題，極有可能發生較大的變形而破壞，如果現場無法校正將導致構件報廢。因此將每根主梁根據其跨度及加工分段現場組裝成2～4段分段進行吊裝，如圖11所示。
    一個懸垂梁結構單元的安裝過程如圖12所示。步驟一：安裝臨時支撐托架；步驟二：分段吊裝一榀懸垂梁。步驟三：三榀懸垂梁同時分段吊裝就位；步驟四：安裝懸垂梁之間的交叉支撐。



    四．軌道層加固方案簡介
    由于雨棚結構安裝過程中大噸位吊車直接在軌道層混凝土結構上運行，原混凝土結構設計荷載與鋼結構吊裝時的施工荷載不同。鋼結構吊裝時由于吊車底部履帶對混凝土結構的壓力為不均勻分布，極限情況下有可能對混凝土結構形成較大的局部壓力。因此必須對混凝土結構進行加固，以確保安裝過程中混凝土結構的安全。
    加固的原則是最終達到不通過樓板本身的抗彎能力來承受上部施工荷載，而是直接或間接通過砼結構主梁將施工荷載垂直地傳至原砼柱和樓板下部支撐，繼而最終傳至基礎底板。
    加固手段主要是在吊車通過路線上通過在砼梁下設置加固支撐減小其彎矩和剪力，以保證設計配筋能夠滿足施工荷載的要求。
    I、III區雨棚結構吊車行走路線如圖13所示。加固點布置圖如圖14所示。I、III區主要采用在混凝土梁下設置獨立加固鋼柱的方法進行加固，由于I、III區下局部有停車庫，因此加固鋼柱的設置在有夾層和無夾層處又有所區別，如圖15所示。


    五．施工質量保證措施
    施工過程中必須制定合理的安裝定位措施及現場焊接工藝，否則將很難保證構件安裝的精度及現場焊接質量，給整個結構的安全留下隱患。為保證北京南站施工過程中構件定位的準確，整個施工過程中遵循了以下原則：
    （1）嚴格控制支撐托架的標高及平面位置，確保構件安裝定位的準確。
    （2）支撐托架盡量布置在密實的混凝土基礎上，并采取必要的加固措施。
    （3）當支撐托架不得不布置于自然地坪處時，必須先將地面壓實平整，之后在需設置臨時支撐的位置鋪設路基箱。
    （4）嚴格控制支撐托架的沉降，安裝過程必須在支撐托架頂部設置標高調節裝置，保證構件安裝時定位準確。
    （5）構建合理的測量系統。
    根據各類構件吊裝前后順序及構件在整個結構體系中的位置采取合理的焊接順序。
    一個安裝單元內的同一類型構件吊裝就位并完成位置的校正調整和臨時固定后應該立即開始焊接；
    合理的焊接順序應該為從中間構件開始逐步向四周擴展，同時保證先焊接收縮量大的構件、再焊接收縮量較小的構件；
    同一根構件（主要是鋼梁）采取先焊好一端后再焊接另一端的原則進行。不同的截面形式的構件根據具體的焊接工藝采取相應的焊接順序。
    根據構件焊接變形的特點設計現場拼裝節點，在拼裝節點處應該有合理的限制焊接變形及精確的定位構造。

    懸垂梁安裝后為控制其焊接變形，應在每個梁單元中的次梁安裝定位并臨時固定后再進行主梁的焊接，同時在主梁安裝臨時支撐托架上應設置控制主梁位移的卡板，如圖16所示。
    Ａ字型塔架柱柱腳連接板為80mm鋼板，單邊坡口焊接，為控制其焊接變形采取分層多道對稱焊的焊接方式同時在柱腳連接板的外圍加設限位卡板，如圖17所示。


    六．結論
    （1）北京南站雨棚鋼結構結構形式新穎，結構體系輕巧、傳力路徑清晰。其結構體系中的懸垂梁，將“索”、和“拱”的受力機理巧妙的結合起來，為國內首創，具有很高的結構承載效率。
    （2）雨棚結構由于其結構體系輕巧，包含了很多柔性構件，給結構的安裝造成了一定困難。因此在安裝過程中必須采取合理的分段，保證構件在吊裝過程中的強度及穩定滿足設計要求，避免構件破壞。
    （3）柔性結構在現場安裝過程中極易發生變形，因此必須采取必要措施，保證構件的定位準確。在構件現場焊接節點設計過程中，應該采取必要的限位措施，保證節點焊接過程中不至于發生過大的焊接變形。
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