某铁路站房异形屋盖钢结构施工关键技术研究

摘要： 某铁路站房屋盖钢结构为双曲悬挑双向交叉浪花状空间管桁架形式，安装精度要求高，节点错综复杂，施工难度大。对该结构施工过程中遇到的重、难点进行了介绍，详细分析了浪花状屋盖钢结构的施工关键技术，针对浪花状屋盖独特的造型特点及施工条件，提出了“整体卧式拼装，双机空中转体”的施工技术，并利用有限元动态仿真模拟技术分析了浪尖结构高空转体过程中的变形和受力情况，结合仿真分析数据对双机抬吊过程进行关键点位的监测，在确保施工安全和质量满足规范要求的前提下，实现了屋盖钢结构的高效率、高精度建造，为同类屋盖钢结构的施工提供一定的参考。

关键词： 异形屋盖；空间管桁架；卧式拼装；空中转体；动态仿真模拟；施工监测

Abstract： The steel roof structure of a train station is composed of a hyperbolic cantilevered wavelike two-way cross space pipe truss，which has the characteristic of  irregular hyperbolic form， the need for high accuracy， the complexity of the joints and the extreme difficulty of assembly. This paper introduces the important and difficult points encountered in the construction process of the structure， and analyses in detail the key construction technology of the wavelike truss roof. Based on the unique modelling characteristics and site construction conditions of the wavelike roof， the construction technology of "integral horizontal assembly， double crane turning in the air" is proposed， and the deformation and stress of the wave tip structure  in the process of high-altitude rotation are analyzed by using the finite element dynamic simulation technology.  In conjunction with simulation analysis data， the critical points of the double crane lifting operation are monitored. On the basis of assuring the safety and quality of the construction， the high-efficiency and high-precision construction of steel roof structure is achieved， providing a reference for the construction of similar steel roof structures.

Keywords： special-shaped roof；space pipe truss；horizontal assembly；turning in the air；dynamic simulation；construction monitoring

1　工程概况

1.1　总体概况

某铁路站房是济青高速铁路接入青太铁路的枢纽车站，地处青岛市红岛经济区，站房总建筑面积达7万㎡，站房平面呈工字形，中部为高架候车厅，南、北部均为站房，南、北站房上部均为五朵浪花形状造型 ^[1] ，为国内建筑造型最复杂的铁路站房之一，建筑效果图如图1所示，航拍图如图2所示。主体建筑地下1层，地上3层，两侧局部4层，采用钢-钢筋混凝土混合框架结构，楼面采用H形正交平面钢桁架结构，屋面结构采用双向钢桁架结构。

图1　南北入口屋面建筑效果图

Fig.1　Architectural rendering of the north and  south entrance roof  

图2　俯视航拍图

Fig.2　Aerial view

1.2　浪花状屋盖钢结构

屋面小浪花采用双向正交桁架结构，两个方向均为大高度多层平面桁架，通过桁架找形构成浪花造型，最大平面尺寸为62m×40m，最大结构高度为36.452m，小浪花结构四周均有不同程度悬挑，其中东、西侧悬挑为15.5 m，单朵小浪花下部设置有4根变截面钢柱，如图3所示。  

图3　屋盖小浪花状立面图（单位：mm）

Fig.3　Elevation of small wave-shaped roof （Unit：mm）

2　施工重难点分析

2.1　拼装精度高

浪尖是整个小浪花造型最复杂的部位，分别如图4和图5所示。外形为四棱双曲弯弧锥体，尖部上翘约为24.3m，外挑约为15.04m，整个宽度达31m，最高点结构标高约为39.2m，杆件数量多达1,000余根，重量约为90t，主要由小截面的H形钢、矩形管和圆管构成；杆件连接节点除几乎全部采用插板节点（仅6个节点采用焊接球），单个节点处的空间牛腿数量最多达15个，构件拼装精度要求非常高。若采用常规的原位拼装机分片吊装方式 ^[2] ，工人高空焊接量大，作业风险高，几乎不可能在2个月内完成施工任务。  

图4　小浪花浪尖结构平面图（单位：mm）

Fig.4　Plane of small wave tip structure （Unit：mm）  

图5　小浪花浪尖结构侧视图（单位：mm）

Fig.5　Side view of small wave tip structure （Unit：mm）

2.2　吊装区块划分难

按照传统的吊装施工工艺，设计出两种施工方案。

1）分块方案1，即将中间悬挑高度最大的两榀桁架作为分块2，两侧平面桁架及中间的杆件作为分块1和分块3，其他杆件补装 ^[3] 。为了保证分块的稳定性，在悬挑较大的分块端部设置临时支撑点，如图6a）所示。若采用此方案则散件补装数量多，高处对接作业工作量大，由于单个分块单元的整体性较差，需要增加支撑架，对下部楼层结构的施工会造成一定的影响。

2）分块方案2，将浪尖结构分解为左、右两个区块，每个区块分为一个平面桁架分片1、大分块1及之间的后补散杆，如图6b）所示。与分块方案1相比，方案2可以减少高空的补杆量，将精度最难控制的分块1和分块2放在地面进行拼装，但仍存在较多的高空补杆和临时支撑，因此需要进一步优化制定出一个更加合适的分块方案。

结合浪花状屋盖的特点，综合对比分块方案1和方案2，确定了吊装区块的划分方案3，如图7所示。将浪尖结构分解为左、右两个区块，每个分区在地面进行原位拼装，然后整体吊装就位 ^[4] 。此方案可以最大程度地减少高空的补杆量，同时节约临时支撑架，相比前两个方案优势更大，故最终选择此分块方案。

图6　浪尖结构分块方案（单位：mm）

Fig.6　Block schemes of wave tip structure （Unit：mm）

图7　浪尖结构分块方案3（单位：mm）

Fig.7　Block scheme 3 of wave tip structure （Unit：mm）

2.3　拼装姿态确定难

当结构按上述方案3进行分块吊装时，左、右两个区块的重心都偏向于浪尖方向，存在重心位置偏置问题，又由于结构拼装高度过高（12.24m），拼装胎架高度太高（24.28m），稳定性和作业安全性较难得到保证，而拼装面的不规则为拼装胎架设计和拼装放样带来了困难，难以保证结构拼装精度，同时也导致了拼装临时支撑系统的设计非常复杂，因此需要选取一个较为合适的拼装姿态来解决以上问题。通过对结构的分析，最终确定对浪尖结构单个区块采用“整体卧势拼装、双机空中转体”技术 ^[5] ，拼装时浪尖平整的立面朝下，起吊后在半空中完成吊装姿态的转换及双机到单机的工况转换。

2.4　动态施工模拟难度大

高空转体施工为动态的过程，吊绳具有索的非线性特性，随着结构分块角度的变化，吊绳的“形”与“力”均在发生变化，而每一次旋转都是在上一次姿态的基础上完成，即每次分析的初始模型不同、索形与索力不同，这给计算分析带来了较大的难度。常规分析方法是将空中转体过程分解成多个姿态，然后逐一进行静力分析。该分析方法无法看出结构不断累积成形的过程，无法反映结构的真实受力状态，杆件内力及结构变形不具有累积性。

2.5　就位姿态控制精度高

高空转体施工需在吊装就位前进行姿态转换，如何保证结构旋转后姿态与设计姿态一致是一大难题，需要精确计算每一根吊绳的长度和吊点就位坐标，确保高空转体完成后结构分块姿态与设计姿态一致。

3　关键施工技术

3.1　异形双曲浪尖结构的整体卧势拼装技术

1）浪尖结构整体卧势姿态的确定

如图8所示，通过放样可知，需要旋转的角度α为90°。从图9可以看出，分块旋转后结构重心高度降低至5m，相比旋转前下降7m；拼装高度降低至15m，相比旋转前下降9m；同时拼装着地面较为规则，有利于拼装阶段分块稳定的保证，胎架设计相对容易。拼装胎架的位置满足空中转体到设计姿态后主吊机能独立将浪尖吊装就位的需求。

图8　浪尖结构的整体卧势姿态确定及俯视图

Fig.8　Determination and top view of the overall lying posture of wave tip structure  

图9　浪尖结构的整体卧势姿态由来

Fig.9　The origin of the overall lying posture of wave tip structure

2）分块吊点的布置

卧拼姿态确定后，需要进行分块吊点的布置。由于拼装姿态与设计姿态不一致，需利用双机抬吊技术在高空对分块进行旋转变位，而在旋转过程中吊绳的内力分布随着结构姿态的变化而变化，为保证结构分块能由拼装姿态平稳过渡到吊装姿态，需精心优化吊点位置和吊绳配置 ^[6] ，吊点主要选取原则如下：

（1）两台吊装机械的上吊点与重心在同一铅垂面内；

（2）设置下吊点时，尽可能保证同一机械吊点两侧的吊绳对称布置；

（3）下吊点尽量设置在节点位置；

（4）下吊点布置应保证施工过程中结构分块变形尽可能地小。

基于上述原则，浪尖结构吊点布置时需增设部分临时杆件 ^[7] ，临时杆件类型根据与之相连的结构杆件类型分别采用H形钢、矩形管和圆管，以便于临时杆件的安装；杆件截面根据施工仿真分析计算确定，所需临时杆件截面共有7根，如图10所示，主要布置在吊点相连的杆件附近。

图10　浪尖结构临时杆件和吊点耳板设置（单位：mm）

Fig.10　Setting of temporary members and ear plates of hanging points in wave tip structure （Unit：mm）

浪尖结构从拼装姿态转换到设计姿态需高空旋转约90°，为避免高空旋转变位过程中吊绳受剪，在下吊点位置设置临时耳板，采用卸扣与耳板连接的形式以保证旋转过程中下吊点的自由转动。

卧势拼装时，着地面平整规则，整体高度较低，采用HN250×125×6×9型钢作为拼装胎架；局部位置拼装高度较高采用HM294×200×8×12组成门式钢架和格构支撑架作为拼装胎架 ^[8] ，材质均为Q235B。

3.2　异形双曲浪尖结构的双机空中转体技术

浪尖结构的安装思路是：将浪尖结构分解为左、右两个区块，单个区块采用“整体卧势拼装、双机空中转体”技术，在半空中完成吊装姿态的转换及双机到单机的工况转换，最终采用两吊完成异型浪尖结构的安装。双机空中转体时，需通过上吊点的移动，使结构分块绕固定吊绳下吊点进行旋转，完成姿态的转换，详细的施工步骤如表1所示。

在浪尖结构分块空中转体过程中，需要重点关注各个钢丝绳的长度及松紧状态。通过监测吊钩坐标和吊装点坐标，可以换算得到各吊绳两端的距离，实时对比吊绳实际长度，判断吊绳的受力状态。如发现吊钩的坐标与理论分析数据存在较大的偏差，如结构分块发生偏离重心铅垂面的歪斜，需要分析原因并调整起吊设备，使其回正至重心铅垂面 ^[9] 。钢丝绳编号如图11所示，根据三维放样不同阶段各钢丝绳的长度值如表2所示。

图11　钢丝绳编号

Fig.11　Numbering of steel wire ropes

考虑到后续有限元分析将目标角度90°均分为6等份，包括脱胎状态、每旋转15°作为一个状态、吊装状态共8个施工步骤，因此通过三维几何放样，得到每个施工步骤对应的主机械吊点坐标，后续作为有限元分析施加的强制位移值，以此完成空中旋转仿真模拟。此外，现场对各阶段吊点坐标进行监测，与三维放样得到的坐标进行对比和调整，同时监测下吊点坐标，判断结构分块位形是否与理论分析一致，直至结构旋转至设计 姿态，完成浪尖结构分块的安装 ^[10] 。

3.3　浪尖结构双机高空转体动态仿真模拟分析技术

考虑到结构的拼装姿态和设计姿态是已知的，高空转体阶段结构的旋转通过吊装机械吊钩的运动实现。该过程为动态过程，结构姿态连续变化的同时吊绳角度和内力均在发生变化，为准确模拟双机高空转体的施工过程，采用基于APDL语言的旋转变位分析方法。根据浪尖结构双机空中转体的特点，将空中转体施工模拟分为两个阶段，第1个阶段为浪尖结构分块从脱胎至旋转达到设计姿态，重点验证空中转体的可行性，同时对旋转过程中的杆件应力、钢丝绳内力及监测点的变形值提供理论分析数据；第2个阶段为从双机抬吊过渡为单机吊装，重点关注在吊装状态下，各钢丝绳的内力以及结构的变形、杆件内力，对结果的安全性进行综合评估。

3.3.1　双机空中转体施工仿真分析

1）模型的建立

采用有限元软件ANSYS对浪尖结构双机空中转体施工过程进行模拟分析，考虑到结构具有双重非线性（几何非线性和材料非线性），计算中打开几何大变形和应力刚化效应，分析中仅考虑自重作用，结构单元采用Beam188单元，吊绳采用Link10单元。浪尖结构分块的空中旋转通过在主机械吊点位置处施加强制位置来实现，ANSYS分析模型如图12所示。分析共分为7个施工步骤，分别对应脱胎状态、旋转至15°、30°、45°、60°、75°和90°，相应的主机械吊点强制位移值通过三维几何放样，得到每个施工步对应的主机械下吊点的x向和z向坐标，旋转过程中主机械下吊点y向坐标不变，具体分析步骤如表3所示。  

图12　ANSYS模型及主机械吊点1旋转过程中轨迹

Fig.12　ANSYS model and trajectory of main mechanical lifting point 1 during rotation

2）施工仿真分析对应杆件应力及位移

浪尖结构最大Mises应力及结构竖向位移如表4所示。需要注意的是，各点的竖向位移值为当前 施工步骤对应的拼装阶段的位移值。根据计算结果，高空转体过程结构杆件最大应力为46MPa，远小于材料的屈服强度设计值，浪尖结构杆件的最小稳定系数φ=0.225。可以推断，转体阶段杆件的稳定应力满足要求，最终步骤姿态与设计姿态基本一致，满足精细化施工要求。

3.3.2　浪尖结构吊装施工仿真分析

1）模型的建立

在浪尖结构的吊装阶段，当结构旋转至设计姿态后需调整吊装机械吊钩位置，并通过手拉葫芦调整吊绳5、6的长度，对吊绳4进行预紧；然后辅助吊机吊钩缓慢下放，吊绳1、2完全松弛后拆除，完成从双机抬吊过渡为单机吊装的过程。同样采用ANSYS进行仿真分析，重点分析吊绳内力变化和监测点位移。  

图13　ANSYS分析模型

Fig.13　ANSYS analysis model

通过放样可知，吊装阶段吊装点的位置坐标为：x=9,919mm，z=18,889mm。分析中，主要在吊装点位置施加三向平动约束，仅考虑结构自重作用。

2） 施工仿真分析对应的杆件应力及竖向位移（图14）。  

图14　浪尖结构应力及竖向位移云图

Fig.14　Stress and vertical displacement contours of wave tip structure

可以看出，吊装阶段结构最大水平位移为10.83mm，最大竖向位移为-6.63mm，各施工步间的变形差不超过10mm，满足施工过程中位移的控制要求；杆件最大应力为38.19MPa，远小于材料的屈服强度设计值，另外浪尖结构杆件的最小稳定系数φ=0.225，可以推断，吊装阶段杆件的稳定应力满足要求。因此结构在施工过程中是安全的。

3）施工仿真过程吊钩反力分析

为了准备评估选用吊装机械的合理性和安全性，以下针对施工仿真分析过程中，主、辅机械吊钩处的竖向反力值进行提取，作为吊机吊重分析的重要依据。图15给出了整个旋转过程中，主、辅机械的吊钩拉力变化规律。

图15　吊钩拉力变化规律

Fig.15　Change law of hook tension

可以看出，随着浪尖结构分块的旋转，辅助机械对应的吊钩拉力从脱胎至姿态就位阶段整体呈现下降的趋势，且旋转过程中拉力减少较为平缓；旋转过程中吊钩的最大拉力为234kN；随着浪尖结构分块的旋转，主机械对应的吊钩拉力从脱胎至旋转至90°过程中整体呈现上升的趋势，且拉力增加较为平缓。在双机转换到单机吊装工况后，吊钩的拉力有较大幅度的增加，吊钩的最大拉力为450kN。

通过三维放样分析，最终主机械采用260t履带吊，主臂长度为62m，夹角为85°，变辅臂长度为21m，工作半径为18m，起重能力50.6t>45t。辅助机械采用80t履带吊，主臂长度为28m，工作半径为8.5m，起重能力31.32t>23.4t。

参照《钢结构工程施工规范》（GB 50755—2012）（以下简称《规范》）对双机抬吊的规定 ^[12] ，对旋转过程中主、辅吊机的起重性能进行复核。通过上面的分析可知，双机空中转体过程中主、辅吊机的吊钩最大拉力分别为319kN和234kN。两台起重设备额定起重量总和的75%为0.75×（50.6+31.32）=61.44t，构件重量45t<61.44t，满足《规范》中对双机抬吊，构件重量不得超过两台起重设备额定起重量总和的75%的规定，同时也满足单台起重设备的负荷量不得超过额定起重量80%的要求。

3.4　浪尖双机抬吊过程中的监测

在浪尖安装过程中，结构分块的旋转变位是双机空中转体施工技术的重点、难点环节，为了对浪尖结构姿态进行较为准确的过程控制，有必要结合有限元施工仿真分析的数据开展关键点位的监测。

图16给出了浪尖结构分块在空中转体过程中，各钢丝绳下吊点编号及监测点编号布置图。在旋转过程中进行了监测并记录，监测点布置在钢丝绳下吊点和监测点对应的杆件节点位置的侧边，考虑到现场的实际情况，主要选取了旋转至30°、60°和90°状态下进行测量数据的统计，通过全站仪进行测量 ^[11] 。

图16　各钢丝绳下吊点编号及监测点编号布置

Fig.16　Number layout of lifting points and monitoring points under each steel wire rope

3.4.1　旋转过程中钢丝绳关键点位监测结果

提取ANSYS分析结果中各施工阶段下吊点x向和z向位移，与现场实测结果进行对比，用于评价现场施工各阶段结构位形的偏差是否可控。同时在结构分块边沿选取8个监测点，统计施工过程中监测点变形，尤其是旋转至设计姿态时的变形，判断分块与周围结构对接位置杆件变形是否满足施工精度要求。图17、图18分别给出了整个旋转过程中，各施工阶段下吊点和监测点位移偏差值对比。  

图17　旋转过程下吊点位移理论与实测对比

Fig.17　Comparison between theoretical  and actual displacements of lifting points during rotation

图18　旋转过程监测点位移理论与实测对比

Fig.18　Comparison between theoretical and actual displacements of monitoring points during rotation

由图17可知，旋转过程中结构分块下吊点在x向和z向的实际位移值与理论位移值最大偏差都在10mm左右。由图18可知，监测点在x向实际位移值与理论位移值最大偏差也在10mm左右；在z向实际位移值与理论位移值最大偏差也不超过15mm，差值较小，验证了旋转过程分析的合理性，保证了旋转过程的顺利实施。

3.4.2　吊装阶段钢丝绳关键点位监测结果

浪尖结构分块旋转至设计姿态后需调整吊装机械吊钩位置，使吊钩与分块重心在同一铅垂线上；提取吊装过程中吊绳下吊点和监测点位移，判断吊装阶段吊钩位置调整和吊绳的转换是否会引起结构分块姿态的变化。图19给出了吊装阶段下吊点和监测点位移偏差值对比。  

图19　下吊点及监测点三向位移偏差值对比

Fig.19　Comparison of three-dimensional displacement deviation values of lifting points and monitoring points

可以看出，吊装阶段结构分块下吊点的三向位移偏差都较小，基本都在4mm左右，最大不超过6mm，姿态未发生明显变化。监测点的位移偏差同样较小，不超过8mm，满足安装精度要求。

4　结  论

本文以某铁路站房浪花状屋盖钢结构工程为背景，首先介绍了施工过程中遇到的重难点，然后针对重难点给出了解决方案，最后对浪花装屋盖钢结构的施工关键技术进行了系统的研究和分析，可以得出以下主要结论：

（1）选取浪尖平整的立面朝下为卧势拼装姿态，有效解决了浪花状钢结构分块结构重心偏置、设计姿态拼装胎架过高、稳定性很难保证的问题，最大程度地保证了安装质量和效率。

（2）采用异形双曲浪尖结构的双机空中转体技术，在半空中安全完成吊装姿态的转换及双机到单机的工况转换，大幅度减少了高空焊接量，降低了工人高空作业风险，同时可节约悬挑端的支撑措施用量。最终仅用两吊就完成了大尺度异形浪尖结构的安装，在加快施工进度、提升施工质量上取得了较大的技术突破。

（3）借助ANSYS强大的非线性分析功能，通过编制标准化程序与结构变位几何分析相结合的方式，实现了吊装姿态转换及双机到单机工况转换施工过程的模拟。

（4）实际施工过程中，监测点的结果与有限元软件的计算偏差较小、吻合度较高，表明有限元分析可以为结构安全施工提供可靠的依据，同时也验证了本文所提出的施工方法可以在类似工程中推广应用。

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