铁路站房大跨度钢结构吊装技术研究

李斌

摘要：本文通过实例对铁路站房大跨度钢结构的吊装技术进行了深入的研究。

关键词：铁路；大跨度钢结构；吊装技术

一、工程概况

某铁路站房工程屋盖结构形式为倒三角管桁架，平面呈矩形，东西宽约102米，南北长约350米，钢桁架中间跨度达66m，两侧跨度为18m，桁架最高点标高为33.1m。屋盖由18榀横向主桁架、16榀横向次桁架、6道纵向次桁架和上弦水平支撑组成，主桁架宽3.6m，高3.4—4.8m，次桁架宽3m，高1.8—4.2m。屋盖桁架下部支撑为混凝土结构，桁架通过68個球铰抗震支座与混凝土柱连接。站房最高点女儿墙檐口标高为40.8m，屋盖钢结构最高点标高为33.1m。站房工程的钢结构主要分为钢楼梯、站房屋盖和北侧进站雨棚三个部分。

结构体系构成图

二、研究背景

我国的大跨度空间钢结构得到了迅速的发展，轻型钢结构是我国近期重点推荐的一种结构形式，它具有重量轻，造型轻巧美观，施工速度快，经济性好等特点。在梁式屋盖轻钢结构中，三角形空间钢管结构已经引起人们的注意，这种结构由两根上弦杆和一根下弦杆组成的三角形截面，所有杆件均采用钢管组成的空间桁架结构。目前采用这种结构的建筑物基本属于公共建筑，在国内外运用均较为广泛。

大跨度钢桁架结构已是一种相当成熟的结构形式，满足了人们对建筑美学以及内部空间的需求，但是也因为结构形式的复杂多样，施工场地的限制，导致桁架在拼装安装的施工难度越来越大。本研究主要的技术为“移动式工装架提升”的施工技术，是根据结构形式的特点，现场场地条件，综合国内目前施工技术应用，以满足某站屋盖钢桁架施工要求。

三、主要研究内容

3.1施工方案的选择

本工程屋盖为倒三角管桁架结构体系，因截面大、重量大，无法满足运输条件，故采取在加工厂按照深化设计图纸进行相贯线切割，以短料形式汽运至现场，现场组成分段空间结构，由大型吊车安装，高空对接。

第一阶段（U-K轴）：此阶段现场场地条件较好，能够满足大型机械吊装、行走、进出场要求，故选择在施工现场空余场地进行桁架分段的拼装，利用站房两侧布置大型机械直接安装就位。

第二阶段（K-A轴）：此部分屋盖桁架分三个阶段施工，且每个阶段施工场地较小，工程量也较少，将6-8轴、11-13轴桁架在施工现场空余场地进行桁架分段的拼装，利用站台层布置150t履带吊直接安装就位；8-11轴桁架在高架层拼装，利用布置在高架层移动式工装提升架安装主桁架，25t汽车吊上高架层楼面安装次桁架。

3.2研究的过程

3.2.1屋盖桁架分段的划分

本工程桁架规格尺寸较大，无法满足运输条件，即工厂内无法进行拼装，只能通过构件相贯线切割完成后即散件打包运输至现场。按照以下五点原则对桁架屋盖结构进行合理的分段：

1、必须按照吊装机械的起吊能力进行合理分段。

2、能够满足现场施工条件，能够保证组装的操作工艺要求。

3、在进行现场吊装分段时，需要考虑到杆件受力情况，吊装分段不能划分在杆件内力较大截面位置。

4、可以满足加工厂制作的方便和运输要求。

5、必须与深化设计分段方式一致，且形成体系与原设计体系相符。

在场外拼装场地分段拼装完成后，运输至站房既定吊装位置，按照先主后次的吊装顺序依次完成吊装作业。

3.2.2大跨度钢结构安装：

1、第一阶段钢结构屋盖桁架安装

在土建结构柱浇筑混凝土之前，利用塔吊安装柱顶埋件，并对其精确定位。待土建主体结构施工完成后，在站房两侧布置两台350t履带吊，将分段桁架由拼装场地运输到吊车起重范围内，直接吊装就位，桁架分段位置设置临时支撑。桁架安装时，提前将马道安装在桁架内，与桁架一起就位。

根据吊装要求，结构吊装需设置临时支撑架，以便分段就位，按分段的重量进行计算，确定临时支架的形式采用格构柱体系，并根据吊装时支架受力的不同，进行每只临时支架的合理设计，临时支架在分段吊装前必须制作结束并交检查员验收合格方可使用。按支架布置位置将各临时支架吊装到位，并用缆风绳进行固定，同时与地面、砼基础固定。本工程选用临时支撑外型基本组合尺寸为1.5m×1.5m，支撑架所有组件均由钢管构成，支撑柱规格为P180*10，腹杆为P89*6，上面设置定位调整平台。

站房两侧同时进行屋盖桁架安装，由于本工程屋盖桁架为倒三角桁架，必须严格保证其侧向稳定性，以免发生倾覆。应按照先安装永久结构柱位置桁架，后安装临时支撑位置桁架的原则逐步进行屋盖桁架吊装。首榀桁架吊装时需在桁架两侧拉设四道缆风绳，并将桁架支座与结构柱可靠连接后方可摘钩。后续桁架吊装均需与前一榀桁架形成可靠连接并拉设缆风绳后摘钩。

当所有主次桁架安装完成并焊接验收后，进行整体屋盖的卸载工作。由于卸载过程是一个力的传递和受力体的转换过程，因此这一过程是一个动态过程。在这一过程中力的传递与受力体的转换必须要保持“合理、有序、平稳、缓慢、均匀”的过渡这就是本工程的卸载原则，务必遵循。根据细化卸载计算的结果，针对不同的卸载点反力要求，支撑点上主结构的形式，分别采用10吨千斤顶组合、20吨千斤顶组合的布置。根据施工阶段划分以及桁架伸缩缝位置，本工程按照由北向南的顺序逐步卸载，66米跨两根临时支撑柱需同时卸载，避免增加桁架二次受力。

2、第二阶段钢结构屋盖桁架安装

待土建主体结构施工完成后，在站房高架层布置拼装胎架完成站房内部主次桁架拼装，在地面布置拼装胎架，完成外侧主次桁架拼装。在8、11轴线之间布置两组工装提升架，主要负责吊装66米跨横向桁架和8轴、11轴纵向次桁架，在站房外侧站台层位置布置两辆150吨履带吊，主要负责吊装18米跨横向桁架和6轴、13轴纵向桁架，其余次桁架和上弦水平支撑均由25吨汽车吊上高架层楼面安装。

这个阶段中66米桁架需在楼面上拼装，构件均需要以散件形式倒运至高架层上。由于此部分桁架体量较小，且站台层选用150吨履带吊主臂工况施工，与塔吊影响较小，主要选用塔吊来完成高架层上方的水平运输。

第二施工阶段钢结构吊装选择+8.9高架层为作业面，根据拟定的吊装方案，将在高架层楼板上布设爬行式工装提升架，工装架钢轨下部为高架层混凝土梁，梁截面为450*1400mm，原混凝土结构设计荷载与钢结构吊装时的施工荷载不同，钢结构吊装时的施工荷载较大，故需要对混凝土结构进行加固，防止混凝土结构破坏、保证混凝土结构的安全；通过对原结构的加固，从而保证上部钢结构正常的安装施工。

大型钢构件液压同步提升与高空滑移施工整体科技含量高，采用“液压同步提升技术”与“液压同步滑移技术”吊装大型钢构件，主要的拼装、焊接及油漆等工作在地面进行，减少了高空作业的工作量，施工效率高，施工质量易于保证。由于技术先进，吊装过程的安全性高。大型钢构件整体吊装，将高空作业量降至最低，并且液压提升与滑移作业绝对时间较短，能够有效保证钢结构安装工程的工期。

（1）提升工装架结构形式

采用液压同步提升、滑移设备吊装钢结构，需要设置专用提升平台。为解决重庆北站吊装难题，公司为该项目设计制作两套专用提升工装架，该工装架采用多用途结构架和附加设备（液压爬行器、液压提升机构）组成。

工装架整体高约28m，长约13.5m，宽约12m，构件可提升高度26m。该装置利用12m、15m走道板做底座，其中15m走道板通过加滑移垫块及导向块与轨道直接接触，液压爬行器通过推动15m走道板来实现该装置的运动。

（2）液压同步提升、滑移技术工作原理

3、液压同步提升技术

液压同步提升技术采用液压提升器作为提升机具，柔性钢绞线作为承重索具。液压提升器为穿芯式结构，以钢绞线为提升索具，有着安全、可靠、承重件自身重量轻、运输安装方便、中间不必镶接等一系列独特优点。液压提升器两端的楔型锚具具有单向自锁作用。当锚具工作（紧）时，会自动锁紧钢绞线；锚具不工作（松）时，放开钢绞线，钢绞线可上下活动。

具体可分为六个工作步骤：

第1步：上锚紧，夹紧钢绞线；

第2步：提升器提升重物（钢桁架）；

第3步：下锚紧，夹紧钢绞线；

第4步：主油缸微缩，上锚片脱开；

第5步：上锚缸上升，上锚全松；

第6步：主油缸缩回原位；

液压同步提升技术具有以下特点：

（1）通過提升设备扩展组合，提升重量、跨度、面积不受限制；

（2）采用柔性索具，只要有合理的承重吊点，提升高度不受限制；

（3）提升器锚具具有逆向运动自锁性，使提升过程十分安全，并且构件可在提升过程中的任意位置长期可靠锁定；

（4）设备体积小，自重轻，承载能力大，特别适宜于狭小空间或室内进行大吨位构件提升；

（5）设备自动化程度高，操作方便灵活，安全性好，可靠性高，适应面广，通用性强。

4、液压同步滑移技术

液压同步滑移技术采用液压顶推器作为滑移驱动设备。液压顶推器采用组合式设计，后部以顶紧装置与滑道连接。前部通过销轴及连接耳板与被推移结构连接，中间利用主液压缸产生驱动推动力。液压顶推器的顶紧装置为楔型夹块，具有单向锁定功能。当主液压缸伸出时，顶紧装置工作，自动顶紧滑道侧面；主液压缸缩回时，顶紧装置不工作，与主液压缸同方向移动。具体步序（见下图）：

步骤1：爬行器夹紧装置中楔块与滑移轨道夹紧，爬行器液压缸前端活塞杆销轴与15m走道板连接。爬行器液压缸伸缸，推动滑移构件向前滑移；

步骤2：爬行器液压缸伸缸一个行程，构件向前滑移一个步距；

步骤3：一个行程伸缸完毕，滑移构件不动，爬行器液压缸缩缸，使夹紧装置中楔块与滑移轨道松开，并拖动夹紧装置向前滑移；

步骤4：爬行器一个行程缩缸完毕，拖动夹紧装置向前滑移一个步距。一个爬行推进行程完毕，再次执行步骤1工序。如此往复使构件滑移至最终位置。

液压同步提升与滑移技术均采用计算机控制，通过数据反馈和控制指令传递，可全自动实现同步动作、负载均衡、姿态矫正、应力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能，是集机、电、液、传感器、计算机和控制论于一体的现代化先进设备。

3.3研究结果及分析结论

1、将屋盖钢结构在地面分段拼装后，利用大型履带吊分段吊装、高空对接方案，为屋盖桁架常规施工做法。此方案将大部分拼装工作在地面提前完成，对于质量、工期等均能有效控制，对现场场地条件和施工通道情况要求较高。

2、通过对移动式工装提升架施工技术的研究，安全有效的解决了在场地条件受限制、大型履带吊投入成本过高的难题，采用国内领先的液压同步滑移技术来完成工装提升架的行走，采用液压同步提升技术来完成屋盖桁架的安装，严格控制了安装精度，大大减少了高空作业工作量，保证了施工安全质量。

3、采用移动式工装提升架方案施工时，要预先对施工阶段各个过程以及整体结构进行模拟计算，分析其提升过程中各个重要节点部位受力情况，根据结构特点采取正确合理的施工方法是整个施工控制的关键。

4、此项技术运用计算机液压同步控制技术，保证工装提升架前进、后退，桁架的提升同步进行。并对整体提升过程进行施工仿真计算，有效地控制了提升过程中的高度偏差及精度，保证了桁架提升的顺利进行以及采用移动式工装提升架施工技术方案的合理性、科学性。