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大跨度拱形鋼結構施工技術

發表于:2021-03-05 來源:科技建工   瀏覽次數:

  概況

  沈陽南站中央站房屋面鋼桁架結構東西長286.5m,屋面桁架南北向跨度為21m+66m+21m,兩側懸挑8.0m;局W10.5m×21.5m、10.5m×24m。,高架層結構標高為8.745m,夾層結構標高16.400m,屋頂結構標高29.91~37.51m(見圖1)。

  方案選擇

  中央站房8~15軸柱間跨度達66m,該段構件總重31.7t,柱頂平面桁架整體起拱幅度約9.45m(見圖2-6)。

  中央站房跨拱桁架安裝方案可以整體提升和分段吊裝兩種施工方案,每種方案都有自身的優劣性。

  方案一為分段吊裝法,此方案優點在于:主桁架地面多個工作面同時提前拼裝有利于工期保證;對下層混凝土樓板影響小;支撐胎架循環利用,投入量少;分段吊裝在屋蓋結構成型過程中,桁架桿件內力變化影響小。缺點在于:施工機械型號較大,費用高;高空施工作業量相對較多。

  方案二整體提升法,此方案有點在于:整體拼裝質量高;高空施工作業量少。缺點在于:9m層混凝土樓板需要達到設計強度后,才能進行桁架拼裝,不能提前進行,對總工期不利;樓板拼裝占用大量作業面,對其他工作開展不利;桁架起拱高,拼裝時投入腳手架用量非常大,提升至安裝完畢,桁架可看成簡支梁轉化成連續梁的過程,結構桿件內力變化較大。

  考慮到工程整體工期緊張,同時對結構構件內力變化更加有利,更加節約費用,綜合比較后選定方案一,即分段吊裝法。中央站房8~15軸柱間桁架可分成3段進行吊裝。分段處無下部柱支撐,因此需搭設支撐架。

  使用400t履帶吊吊裝鋼柱、夾層梁及6~8軸和15~17軸橫向主桁架、縱向主桁架,形成穩定結構體系,然后吊裝該區域橫向次桁架、縱向次桁架及懸挑端分段單元(即分段一)。66m跨的橫向桁架分為三段吊裝,在分段處設置支撐架,支撐架高度26.9m。施工過程中支撐架循環利用,但需保留縱向兩個柱距內的支撐架,以防止整體結構成形前的過度變形。

  方案驗算與實施

  3.1 中央屋蓋鋼結構方案驗收與實施

  3.1.1鋼結構吊重驗算

  (1)CC2400-1型400噸履帶吊塔式工況性能(見圖7)。

  (2)鋼柱吊重驗算

  本工程高架夾層16.280m標高以下鋼管混凝土柱截面為P1600×35,高架夾層16.280m標高以上鋼柱截面為P1400×35,根據鋼柱分布特點及履帶吊吊機性能,將鋼柱分為兩段,以18.500m標高處為分段位置。

  對吊裝性能要求最高的中間柱第二段進行吊裝工況分析,滿足吊裝要求。

  (3)主桁架吊重驗算

  本工程主桁架采用站房兩側2臺400噸履帶吊塔式工況進行吊裝。橫向主次桁架共分7段,其中66m跨桁架分3段、兩側跨各分2段(見圖9)。

  第一分段吊裝工況分析(見圖10、見表1)。

  第二分段吊裝工況分析(見圖11、見表2)。

  第三分段吊裝工況分析(見圖12、見表3) 。

  3.1.2施工過程的分析及方案的實施

  (1)施工過程受力及變形模擬說明

  鋼結構安裝過程是一個逐步累積的過程,該過程中,結構的受力和邊界條件是依時變化的。因此,構件的最大內力狀態或最終狀態與設計時整體結構分析結果會因不同的施工工藝或順序而有較大差別。為保證鋼屋蓋施工過程和安裝完成后結構的安全,需進行施工過程模擬分析。施工過程分析采用大型通用有限元軟件MIDAS GEN/8.0進行,得出鋼結構施工過程中的內力和變形情況。

  (2)計算模型

  由于中央站房東西方向結構單元布置相似,現選取(最不利)典型單元(框架Ⅱ-J軸至Ⅱ-K軸,屋蓋桁架Ⅱ-J軸至Ⅱ-K軸)進行施工模擬(見圖13)。

  結構單元。

  鋼管混凝土柱采用SRC材料和結構,支撐架腹桿采用桁架單元,其余全部采用梁單元模擬。

  荷載條件。

  根據實體模型,自重系數取1.0。

  檁條、檁托采用線荷載的方式加載于對應橫向桁架上弦,等效荷載取1.53kN/m。

  采光玻璃天窗支架采用節點荷載的方式加載于玻璃天窗下方縱橫向桁架上弦節點,等效荷載取5.0kN。

  邊界條件。

  鋼管混凝土柱底部剛接。

  支撐架底部鉸接,不考慮底部加固措施的有利作用;對支撐架頂部進行Y、Z向和轉角約束釋放(見圖14)。

  (3)施工過程分析及方案的實施

  第一步、吊裝鋼管混凝土柱,樓層鋼梁。

  受力分析:運用軟件模擬分析受力,樓層鋼梁最大應力39.3MPa,符合設計要求。

  第二步、安裝屋蓋主桁架,形成穩定框架。

  受力及變形分析:最大豎向變形13.1mm,出現在樓層鋼梁處,桁架豎向變形小;桿件最大應力38.72MPa。

  第三步、安裝屋蓋次桁架,形成完整整體;在8.745m標高樓面搭設支撐架。

  受力及變形分析:最大豎向變形13.04mm,出現在樓層鋼梁處,桁架豎向變形小;桿件最大應力38.23MPa。

  第四步、安裝屋蓋跨中第二段桁架。

  受力及變形分析:最大豎向變形13.05mm,出現在樓層鋼梁處,桁架豎向變形小;桿件最大應力38.53MPa。

  第五步、安裝屋蓋跨中第一段桁架。

  受力及變形分析:最大豎向變形13.05mm,出現在樓層鋼梁處,桁架豎向變形小;桿件最大應力38.49MPa。

  第六步、安裝屋蓋跨中橫向次桁架。

  受力及變形分析:最大豎向變形13.04mm,出現在樓層鋼梁處,桁架豎向變形小;桿件最大應力38.51MPa。

  第七步、安裝屋蓋跨中縱向次桁架。

  受力及變形分析:最大豎向變形13.04mm,出現在樓層鋼梁處,桁架豎向變形小;桿件最大應力38.5MPa。

  第八步、屋蓋卸載,拆除支撐架。

  受力及變形分析:最大豎向變形27.2mm;桿件最大應力45.2MPa。

  第九步、安裝檁條、玻璃天窗。

  受力及變形分析:最大豎向變形36mm;桿件最大應力47.51MPa。

  結語

  (1)本工程中央站房66m跨大跨度鋼結構桁架采用分段吊裝、高空合攏的吊裝方案進行吊裝,C、D兩個流水段共用時4個月完成了12000t鋼結構的吊裝工作,為確保工程總體施工進度打下了堅實的基礎。

  (2)本工程大跨度鋼結構桁架施工過程中,結構最大變形36mm,最大應力45.51Mpa,結構變形和應力均滿足規范和設計要求。分段吊裝施工與結構一次成型相比,附加變形1.9mm,附加應力1.2MPa,附加變形和附加應力均較小,滿足施工要求。分段吊裝、高空合攏吊裝方案安全合理。

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