1、1苏州火车站改造工程大跨度钢屋盖滑移施工分析摘要：本文详细介绍了苏州站改造工程，站房大跨度钢屋盖的施工方案，因地制宜地采用了合理的滑移法施工技术，按时顺利完成了安装任务。并运用 SAP2000 软件对钢结构安装及卸载的全过程进行有限元模拟，理论分析结果及工程实践表明，该施工方法是安全合理的，值得在类似工程中推广应用。 关键词：改造工程；滑移法施工技术；施工阶段分析 Analysis on Steel Structure Roof Construction of Suzhou Station Modification Project Yu Ling-qing Abstract: This pap
2、er introduces in detail construction scheme of Suzhou Station Modification Project. Advanced sliding construction technique was used. Installation and uninstallation progress of steel structure roof was also simulated by SAP2000. The result indicates that the proposed construction scheme is theoreti
3、cally feasible. Keywords: Modification Project; sliding construction technique; construction analysis TU248.1 2为了不影响下部地基基础和看台等混凝土结构的施工，避免大型吊装设备安装在混凝土楼板上，合理利用机械、场地，使地面拼装与高空散装同步展开，缩短工期，本工程采用“高空拼装，累积滑移”的施工方案。本文对该施工方案在技术上的可行性进行了论证分析，对今后类似工程的应用具有一定的参考价值。 1 工程概况 1.1 建筑特点 苏州火车站扩建改造工程是一座集铁路、城市轨道、城市道路交通换乘多功能
4、于一体的大型铁路交通枢纽工程，改建后的苏州站设计有普速车场和沪宁城际车场，站房建筑面积 5.4 万平方米，地下空间 3.1 万平方米，雨棚面积 7.1 万平方米。 苏州火车新站站房空间形态和立面设计新颖别致，建筑语言婉约明快。站房以菱形为主要符号，连续的菱形屋顶与结构浑然一体，白墙黛瓦，既恢弘现代又古韵绵长。集古韵今风于一体，与苏州的古城风貌相协调（如图 1 和图 2） 。 图 1 苏州火车新站建筑正面效果图 图 2 苏州火车新站建筑鸟瞰剖面效果图 1.2 结构特点 苏州火车站屋面钢结构为大跨度菱形空间桁架结构，整体平面布置3呈工字形，南北方向最大尺寸为 353.4m，东西方向最大尺寸为 19
5、8m，屋盖最大高度为 31.25m。大跨度屋盖由设置在下部混凝土结构柱顶的抗震球形支座上的斜撑杆支承，东西方向柱距为 88m，最大柱距达 132m，南北方向柱距为 22m55m。 屋盖结构采用双向布置，为便于理解，设定东西向为主桁架方向，桁架截面为菱形，菱形宽度为 11m，高度为 8m（如图 3 和图 4） 。为满足建筑造型与采光要求，菱形桁架在屋盖短跨方向采用局部密排方式，在屋盖长方向则主要布置在柱顶位置。 空间桁架的弦杆与腹杆均为圆钢管，钢管之间主要采用相贯焊接节点，在支座处以及部分相交节点位置，考虑到相贯杆件多，受力复杂，设计采用了铸钢节点。桁架钢材的材质为 Q420 和 Q345C，钢
6、管最大壁厚50mm。屋盖桁架的钢管截面规格有100050、100040、80050、80030、65040、65030、60030、50030、50025、50020、50016、50014、40214、27314、27312、21912、21910。 图 3 典型桁架单元截面尺寸图 图 4 典型桁架单元截面照片 屋面檩条采用高频焊接 H 型钢或格构式构件，上面敷设双层金属板轻质保温材料屋面体系。为了增加屋盖结构在其平面内的整体刚度，在屋架中弦层内布置了水平支撑体系。 42.1 方案选型 苏州火车站改造扩建工程钢结构网架共 7800 吨，南北站房各 3900吨，呈工字型对称布置。构件布置相对规
7、则，但杆件尺寸及单重较大，节点构造非常复杂，结构杆件众多，若采用通常的分件高空原位拼装方式安装，不但高空组装、焊接工作量巨大，而且存在较大的质量、安全风险，施工难度可想而知，与本工程偏紧的工期也存在很大的冲突。 根据类似工程的施工经验，为了不影响下部地基、基础和看台等混凝土结构的施工，避免大型吊装设备对混凝土楼板的承压影响，合理利用机械、场地，使地面拼装与高空散拼同步展开，缩短工期，决定采用“高空拼装，累积滑移”的施工方案。北侧城际铁路站房钢结构屋盖由北向南滑移，南侧普速铁路站房由南向北滑移，最后在中间进行合拢对接。以下就北侧城际铁路站房钢结构屋盖由北向南滑移为例进行介绍。 2.2 滑移施工流
8、程 2.2.1 分段施工滑移区域的划分 根据屋盖外形的结构特点及施工安装顺序，将屋盖结构分为 7 个滑移区域和一个原位拼装区域，如图 5，滑移轨道平面布置如图 6。 图 5 分段施工滑移分区图 图 6 滑移轨道平面布置图 2.2.3 滑移流程 5第一步:搭设高空拼装平台，架设滑移轨道，安装安全护栏和上下楼梯等，做好吊装和滑 移的准备工作。 第二步:分段吊装第一榀桁架，分段长度 22 米，桁架在高空中对接，如图 7。 第三步：分段吊装第二榀桁架，根据选定的 150 吨履带吊起吊性能，桁架分为 33 米一段，如图 8。 第四步：高空散装两榀桁架间的第三榀桁架，焊接检验后完成一个滑移单元，本滑移单元
9、为施工一区，如图 9。 第五步：前三榀滑移 21 米，吊装第 4 榀桁架，如图 10。 图 7 第一榀桁架分段吊装 图 8 第二榀桁架分段吊装 图 9 第三榀桁架高空散装图 10 前三榀一区桁架滑移，第四榀桁架分段吊装 第六步：第五榀桁架进行散装，检查合格后即完成第二次施工二区滑移单元，如图 11。 第七步：施工一区和二区的前 5 榀桁架整体从北往南滑移 22 米，如图 12。 6图 11 第五榀桁架高空散装 图 12 前 5 榀桁架整体滑移 第八步：依次拼装完成第三、四、五、六、七区分段吊装和高空散装施工，依次滑移，每次滑移距离 22 米，共进行七次滑移，总滑移距离142 米。最后一榀桁架原
10、位高空拼装。 第九步：布置千斤顶，安装支座斜柱，屋盖卸载，拆除支撑架，轨道，结构成型。 综上所述，北区屋盖 16 榀桁架的拼装顺序依次如图 13。 图 13 桁架拼装顺序图（所标数字为拼装的先后顺序） 16 榀桁架滑移的具体步骤，距离详见表 1： 表 1 桁架滑移具体步骤 3 滑移施工阶段分析 3.1 屋盖滑移安装过程分析 根据屋面结构整体布置情况，选择北侧一半结构进行施工过程分析。按照滑移方案，考虑七个施工阶段进行近似模拟分析： 第 1 步，拼装完成前 3 榀桁架，即第一个滑移单元，由支撑体系承7重； 第 2 步，拼装完成前 5 榀桁架，即第二个滑移单元； 第 3 步，拼装完成前 7 榀桁架
11、，即第三个滑移单元； 第 4 步，拼装完成前 9 榀桁架，即第四个滑移单元； 第 5 步，拼装完成前 11 榀桁架，即第五个滑移单元； 第 6 步，拼装完成前 13 榀桁架，即第六个滑移单元； 第 7 步，拼装完成前 15 榀桁架，即第七个滑移单元； 第 8 步，拼装完成全部 16 榀桁架，主结构安装完毕。 运用有限元软件 SAP2000 对施工全过程进行模拟分析，屋盖钢结构自重由程序自动计算生成，考虑到滑移过程中主檩条将随屋盖一起滑移，屋盖自重取 1.1 倍的放大系数，偏于安全的同时将主檩条重量也考虑进去。在轨道支撑位置设置约束节点 Z 向自由度，为保证结构的整体稳定，中间轨道上的支点设置
12、X 方向的约束，最北侧部分节点位置加设 Y 方向的约束，屋盖结构分析的三维有限元模型如图 14。计算时恒载放大 1.2倍，不考虑屋盖的活载、风载及地震作用。 图 14 屋盖结构分析的三维有限元模型 本文对上述各施工阶段结构的变形和受力情况进行了具体分析，分析结果如表 2。 表 2 各施工阶段结构的变形和内力 8（位移差：分段施工滑移时，各区对接杆件变形最大位移差值） 从以上分析结果可以看出，滑移过程中屋盖结构的强度和刚度都是可以保证的，结构的变形均小于 L/5002,应力比控制在 0.6 以下，分 7步进行滑移，每个滑移单元组装过程中屋盖的变形很小3，可以认为对整体的组装过程没有影响，也不影响
13、高空平台拼装的精度控制，滑移施工过程是安全可行的。 3.2 屋盖的卸载过程分析 3.2.1 卸载方案 滑移时保证屋盖桁架高度为设计标高。滑移到位后在每个支撑胎架位置布置两个千斤顶，千斤顶设在滑靴两侧，顶在下弦节点上，并利用工字钢作为下部支承将集中力分配到贝雷支撑架两端的弦杆上。 采用整体分步卸载方式，根据变形量的大小分成 4 步卸载，完成结构由临时支撑承重到由设计支座承重的一个转变过程，卸载流程如下： （1）千斤顶顶升 24mm，顶紧受力，使原支撑脱空，割除滑靴，塞入垫块，垫块选用 25mm 厚的钢板，用于控制卸载量。同时安装斜柱，经计算分析知滑移到位后斜柱的节点位移约为 3mm，不影响安装精
14、度，检验后焊接，斜柱节点位置的千斤顶下降，支座开始承载。 （2）第一次卸载：由于除中间滑道上的支撑点外，其他点的位移较小，可一次性卸载到位，中间滑道处千斤顶下落 25mm。卸载前抽出垫块，控制卸载位移。 （3）第二次卸载：跨中滑道上仍处在支承状态的千斤顶顶升24mm，顶紧受力，抽出 25mm 垫块，控制卸载量。然后千斤顶下降925mm。 （4）第三次卸载：千斤顶顶升 2mm4mm，顶紧受力，抽出剩余垫块，继续卸载，直至千斤顶全部脱空，结构整体卸载完毕。 3.2.2 卸载过程分析 计算桁架下弦支撑点在自重作用下的挠度，作为控制卸载量的依据。各支撑点位置的变形量如表 3 所示。 表各支撑点位置的下
15、挠度 可以看出跨中两条轨道支撑点处位移较大，最大值约为 84mm，轨道C、F 最大位移为 22mm，其余四条短轨道最大位移仅为 13.4mm。 3.2.卸载施工 第一步：支座斜撑全部安装完毕，其余位置千斤顶都仍未脱离。 第二步：根据结构成形后各轨道支撑节点处的位移量，千斤顶回落行程 25mm，两侧短轨道只需一步即完成脱离，跨中轨道部分支撑位置的千斤顶也脱离支撑，节点处施加强制位移-25mm。 第三步：跨中轨道梁上千斤顶回落 25mm，轨道上剩余 D5、D6、D7 处千斤顶处于顶紧状态。 10第四步：剩余千斤顶继续回落，直至全部脱离，屋盖完全由支座承重，回落距离小于 30mm，拆除支撑架，完成屋
16、盖卸载。 各卸载步下杆件的最大应力比分别为 0.63、0.57、0.62，满足强度要求。以上分析表明该卸载方案能很好地满足强度要求，应用于该工程的施工是安全可行的。 4 结论 “地面拼装、单元吊装、高空组装、隔榀散装、累计滑移、整体卸载”施工方法是一种较合理的大跨度结构安装技术，由于它具有不影响周边结构的施工、不需要大型起重设备并能够大大缩短施工工期等诸多优点，因而被广泛应用于各种大跨度结构的施工中。苏州站改造工程站房屋盖采用了该施工技术，对其安装及卸载过程进行有限元模拟，经卸载全过程动态测试，钢结构各特征值、主控点的变化趋势和三维位移量，均与设计的理论计算结果相一致，桁架重点杆件及支座斜柱的应力全程监测，计算机模拟，结果与设计状态相符，有限元分析结果表明：该施工方法能很好地满足结构的刚度和强度要求，应用于该工程中是安全可行的。 参考文献 1 JGJ791. 网架结构设计与施工规程S. 北京: 中国建筑工业出版社, 1992
