轻型张弦钢结构在地铁施工中的绿色应用

1??工程概况

本文以地铁市政项目工程为例，探索采用轻钢结构进行全封闭式明挖基坑施工的技术经济可行性。北京地铁12号线三元桥站是北京首批进行全封闭式明挖施工作业的试点工程，该车站位于北京东北三环核心地带，周边为商务办公群，对环境要求高。

三元桥站为明挖地铁车站，结构全长240?m，标准段宽23.5?m，埋深26~28?m。为提升绿色文明形象，促进市政地铁行业绿色施工标准化，采用轻型钢结构进行全封闭施工。轻型钢结构罩棚全场309?m，跨度由44.1?m向46.8?m渐变，总面积约14?000?m2（图1、图2）。

图1??北京地铁12号线三元桥站施工罩棚平面示意

图2??车站罩棚模型

2??轻型钢结构罩棚的可行性分析

轻型钢结构除需满足本工程占地面积大、跨度大及各项施工要求，更要保证结构安全，具备抗风抗雪载的良好的结构稳定性。通常大跨度钢结构采用桁架结构或网架结构形式，而作为临时建筑设施，需综合考虑技术经济的合理性。

罩棚主体采用装配式新型轻弦钢型结构，由 53榀门式钢骨架组成。钢架横梁下弦增设预应力钢绞线，使结构顶部形成自平衡体系，以减小水平推力。该结构的优点是在竖向荷载作用下，可进一步减小梁端弯矩，优化梁柱截面，并充分利用预应力钢绞线高强抗拉的特点减少钢结构用量。

为验证该结构的可靠性，本文以最大跨度（46.8?m）为例，采用midas GEN对单榀结构进行稳定性分析。

2.1??计算参数

（1）设计使用年限：3年。

（2）荷载取值：永久荷载（膜材+檩条，不包括结构自重）0.20?kN/m2；可变荷载0.30?kN/m2；基本风压（R=10）：0.30?kN/m2；基本雪压（R=10）：0.25?kN/m2；不考虑地震作用。

2.2??计算工况

工况统计见表1。

表1??工况统计

以工况3为例，分析单榀结构在不同工况下的结构受力变形（图3）。

（a）

（b）

（c）

图3??单榀结构受力云图（计算机截图）

（a）结构轴力图；（b）结构弯矩图；（c）结构剪力图

1.0永久荷载+1.0风工况下，拉索索力为143.9?kN；斜梁最大轴力为–139.7?kN，最大弯矩为316.8?kN·m；柱最大轴力为–45.7?kN，最大轴力为–18.6?kN，最大弯矩为–316.8?kN·m。

1.0永久荷载+1.0风工况下，结构最大竖向位移为88.2?mm（向上）；最大水平位移为142.0?mm< h / 60（H为罩棚高度），满足规范要求（图4、表2、表3）。

图4??单榀结构位移云图（计算机截图）

（a）竖向位移；（b）水平位移

表2??立柱工况计算结果统计

表3??斜梁及锚索工况计算结果统计

通过对4种工况进行统计分析，轻型张弦钢结构满足各种环境条件下的技术要求，在最不利工况（工况4）下，最大水平位移167.5?mm，根据GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》对柱顶位移限值的要求，无吊车钢结构柱顶限值满足 h /60（h为柱高）的要求。

3??应用效果

图5为全封闭式轻型结构罩棚应用情况。对比现有罩棚结构形式与试点工程采用的轻型张弦钢结构，分析两种结构形式的用钢量、噪声及光照条件。对比结果表明，采用轻型张弦结构单位面积用钢量为0.075?t/m2，仅为传统钢结构形式的42.8%，且光照、隔声效果明显（表4）。

（a）

（b）

图5??全封闭式轻型结构罩棚实际效果

（a）罩棚外形；（b）罩棚内部

表4??不同形式钢结构经济对比

试点工程使用轻型张弦钢结构后，有效地改善了施工作业环境，尤其在冬期施工期间，封闭罩棚内的温度可比室外高5~8℃，为冬期混凝土浇筑养护提供了良好条件。根据统计，自罩棚建造完成后，考虑下雨、大风、降雪、雾霾及政治活动等影响，共为基坑工程施工节约工期62?d。

4??结束语

（1）分析轻型张弦钢结构罩棚设计4种不同工况的稳定性，在最不利工况下，柱顶最大水平位移为167.5?mm，满足规范要求；用钢量仅为传统钢结构形式的42%，且社会效果明显，具有推广使用价值。

（2）考虑到地铁车站工程建设周期一般为3~5年，而制作轻型张弦钢结构罩棚一次性投入较大，且因不同工程差异较大，故暂时无法实现轻型张弦钢结构构件标准化和模数化，若今后能统筹相关数据，实现该结构的周转使用，更可大幅减少投入成本，有利于绿色文明施工水平的整体提升。