（案例分析）大跨度拱形钢结构施工技术研究

1 概况

沈阳南站中央站房屋面钢桁架结构东西长286.5m，屋面桁架南北向跨度为21m+66m+21m，两侧悬挑8.0m。基本柱网10.5m×21.5m、10.5m×24m。，高架层结构标高为8.745m，夹层结构标高16.400m，屋顶结构标高29.91～37.51m（见图1）。

图1  中央站房钢结构三维效果图

2 方案选择

中央站房8～15轴柱间跨度达66m，该段构件总重31.7t，柱顶平面桁架整体起拱幅度约9.45m（见图2-6）。

图2  中央站房横向桁架分段立面示意图

图3  中央站房横向桁架分段一重量8.3t

图4  中央站房横向桁架分段二重量11.7t

图5  中央站房横向桁架分段三重量10.7t

图6  中央站房横向桁架分段四重量3.5t

中央站房跨拱桁架安装方案可以整体提升和分段吊装两种施工方案，每种方案都有自身的优劣性。

方案一为分段吊装法，此方案优点在于：主桁架地面多个工作面同时提前拼装有利于工期保证；对下层混凝土楼板影响小；支撑胎架循环利用，投入量少；分段吊装在屋盖结构成型过程中，桁架杆件内力变化影响小。缺点在于：施工机械型号较大，费用高；高空施工作业量相对较多。

方案二整体提升法，此方案有点在于：整体拼装质量高；高空施工作业量少。缺点在于：9m层混凝土楼板需要达到设计强度后，才能进行桁架拼装，不能提前进行，对总工期不利；楼板拼装占用大量作业面，对其他工作开展不利；桁架起拱高，拼装时投入脚手架用量非常大，提升至安装完毕，桁架可看成简支梁转化成连续梁的过程，结构杆件内力变化较大。

考虑到工程整体工期紧张，同时对结构构件内力变化更加有利，更加节约费用，综合比较后选定方案一，即分段吊装法。中央站房8～15轴柱间桁架可分成3段进行吊装。分段处无下部柱支撑，因此需搭设支撑架：

使用400t履带吊吊装钢柱、夹层梁及6～8轴和15～17轴横向主桁架、纵向主桁架，形成稳定结构体系，然后吊装该区域横向次桁架、纵向次桁架及悬挑端分段单元（即分段一）。66m跨的横向桁架分为三段吊装，在分段处设置支撑架，支撑架高度26.9m。施工过程中支撑架循环利用，但需保留纵向两个柱距内的支撑架，以防止整体结构成形前的过度变形。

3 方案验算与实施

3.1中央屋盖钢结构方案验收与实施

3.1.1钢结构吊重验算

（1）CC2400-1型400吨履带吊塔式工况性能（见图7）。

图7  48米主臂+72米副臂塔况

（2）钢柱吊重验算

本工程高架夹层16.280m标高以下钢管混凝土柱截面为P1600×35，高架夹层16.280m标高以上钢柱截面为P1400×35，根据钢柱分布特点及履带吊吊机性能，将钢柱分为两段，以18.500m标高处为分段位置。

图8  中央站房钢柱分段示意图

对吊装性能要求最高的中间柱第二段进行吊装工况分析，满足吊装要求。

（3）主桁架吊重验算

本工程主桁架采用站房两侧2台400吨履带吊塔式工况进行吊装。横向主次桁架共分7段，其中66m跨桁架分3段、两侧跨各分2段（见图9）。

图9  中央站房横向主次桁架分段示意图

61569;第一分段吊装工况分析（见图10、见表1）。

图10  第一分段吊装工况分析图

表1  第一分段吊装工况分析表

61570;第二分段吊装工况分析（见图11、见表2）。

图11 第二分段吊装工况分析图

表2  第二分段吊装工况分析表

61571;第三分段吊装工况分析（见图12、见表3）

图12  第三分段吊装工况分析图

表3  第三分段吊装工况分析表

3.1.2施工过程的分析及方案的实施

（1）施工过程受力及变形模拟说明

钢结构安装过程是一个逐步累积的过程，该过程中，结构的受力和边界条件是依时变化的。因此，构件的最大内力状态或最终状态与设计时整体结构分析结果会因不同的施工工艺或顺序而有较大差别。为保证钢屋盖施工过程和安装完成后结构的安全，需进行施工过程模拟分析。施工过程分析采用大型通用有限元软件MIDAS GEN/8.0进行，得出钢结构施工过程中的内力和变形情况。

（2）计算模型

由于中央站房东西方向结构单元布置相似，现选取（最不利）典型单元（框架Ⅱ-J轴至Ⅱ-K轴，屋盖桁架Ⅱ-J轴至Ⅱ-K轴）进行施工模拟（见图13）。

图13  施工模拟MIDAS模型

61569;结构单元。

钢管混凝土柱采用SRC材料和结构,支撑架腹杆采用桁架单元，其余全部采用梁单元模拟。

61570;荷载条件。

根据实体模型，自重系数取1.0。

檩条、檩托采用线荷载的方式加载于对应横向桁架上弦，等效荷载取1.53kN/m。

采光玻璃天窗支架采用节点荷载的方式加载于玻璃天窗下方纵横向桁架上弦节点，等效荷载取5.0kN。

61571;边界条件。

钢管混凝土柱底部刚接。

支撑架底部铰接，不考虑底部加固措施的有利作用；对支撑架顶部进行Y、Z向和转角约束释放（见图14）。

图14  支撑架顶部约束释放示意图

（3）施工过程分析及方案的实施

第一步、吊装钢管混凝土柱，楼层钢梁。

受力分析：运用软件模拟分析受力，楼层钢梁最大应力39.3MPa，符合设计要求。

现场实施图

第二步、安装屋盖主桁架，形成稳定框架。

受力及变形分析：最大竖向变形13.1mm，出现在楼层钢梁处，桁架竖向变形小；杆件最大应力38.72MPa。

现场实施图

第三步、安装屋盖次桁架，形成完整整体；在8.745m标高楼面搭设支撑架。

受力及变形分析：最大竖向变形13.04mm，出现在楼层钢梁处，桁架竖向变形小；杆件最大应力38.23MPa。

现场实施图

第四步、安装屋盖跨中第二段桁架。

受力及变形分析：最大竖向变形13.05mm，出现在楼层钢梁处，桁架竖向变形小；杆件最大应力38.53MPa。

现场实施图

第五步、安装屋盖跨中第一段桁架。

受力及变形分析：最大竖向变形13.05mm，出现在楼层钢梁处，桁架竖向变形小；杆件最大应力38.49MPa。

现场实施图

第六步、安装屋盖跨中横向次桁架。

受力及变形分析：最大竖向变形13.04mm，出现在楼层钢梁处，桁架竖向变形小；杆件最大应力38.51MPa。

现场实施图

第七步、安装屋盖跨中纵向次桁架。

受力及变形分析：最大竖向变形13.04mm，出现在楼层钢梁处，桁架竖向变形小；杆件最大应力38.5MPa。

现场实施图

第八步、屋盖卸载，拆除支撑架。

受力及变形分析：最大竖向变形27.2mm；杆件最大应力45.2MPa。

现场实施图

第九步、安装檩条、玻璃天窗。

受力及变形分析：最大竖向变形36mm；杆件最大应力47.51MPa。

现场实施图

4  结语

（1）本工程中央站房66m跨大跨度钢结构桁架采用分段吊装、高空合拢的吊装方案进行吊装，C、D两个流水段共用时4个月完成了12000t钢结构的吊装工作，为确保工程总体施工进度打下了坚实的基础。

（2）本工程大跨度钢结构桁架施工过程中，结构最大变形36mm，最大应力45.51Mpa，结构变形和应力均满足规范和设计要求。分段吊装施工与结构一次成型相比，附加变形1.9mm，附加应力1.2MPa，附加变形和附加应力均较小，满足施工要求。分段吊装、高空合拢吊装方案安全合理。

（来源：科技建工 北京分公司）