藺軍 丁建強(qiáng) 高繼領(lǐng) 任軍

江蘇滬寧鋼機(jī)鋼機(jī)股份有限公司 江蘇宜興 214231

摘 要：廣州南站是我國(guó)新建的四大高鐵客運(yùn)樞紐之一，結(jié)構(gòu)主體采用了站橋共柱形式，地下層為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，12.0m層以上為大跨度預(yù)應(yīng)力梁板混凝土與鋼桁架梁柱組合結(jié)構(gòu)，21.0m層以上及屋面采用大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)體系。本文主要對(duì)其極富特色的站臺(tái)無柱雨棚鋼桁架支撐預(yù)應(yīng)力索拱結(jié)構(gòu)、主站房及中央采光帶、入口大廳懸挑結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力索拱與索殼組合弧形屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)制作、主體鋼結(jié)構(gòu)的施工安裝等內(nèi)容進(jìn)行說明，著重闡述了其中的重要節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件所采取的加工制作技術(shù)、預(yù)應(yīng)力索拱與索殼的張拉施工等關(guān)鍵技術(shù)措施與結(jié)構(gòu)施工全過程的有限元數(shù)值分析等重點(diǎn)內(nèi)容，可供同類大型建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)與施工參考。

關(guān)鍵詞：廣州南站 大型空間鋼結(jié)構(gòu) 索拱 索殼 加工制作 施工技術(shù) 數(shù)值分析

1.工程概況

廣州南站位于廣州市番禺區(qū)，是全國(guó)新建的四大高鐵客運(yùn)樞紐之一，總建筑面積約36萬平米，建筑最高點(diǎn)標(biāo)高52m，共三層，其中頂層大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋投影面積為21萬平方米，其整體建筑效果如圖1所示。

圖1：廣州南站整體建筑效果圖

根據(jù)建筑使用要求與結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度等因素綜合考慮，廣州南站結(jié)構(gòu)主體采用站橋共柱形式，地下層為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；12.0m層以上采用大跨度預(yù)應(yīng)力梁板混凝土與鋼桁架梁柱組合結(jié)構(gòu)；21.0m層以上及屋面采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系，平面形狀為邊緣有突出的近似正方形，平面尺寸576m×475m；主體結(jié)構(gòu)用鋼量達(dá)8萬噸。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)主要包括無站臺(tái)柱雨棚、主站房弧形鋼屋蓋、中央采光帶、入口大廳四個(gè)部分，其中無站臺(tái)柱雨棚采用鋼桁架支撐的預(yù)應(yīng)力索拱結(jié)構(gòu)，主站房屋蓋、中央采光帶、入口大廳懸挑結(jié)構(gòu)為鋼桁架支撐的預(yù)應(yīng)力索拱和索殼兩種結(jié)構(gòu)的弧形組合鋼結(jié)構(gòu)體系。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面類型較多，有圓管、梭形管、長(zhǎng)圓管及方管等，構(gòu)件之間主要采用焊接、鑄鋼連接、銷軸連接、栓焊混合連接或鑄鋼與焊接混合的連接方式。

2.鋼結(jié)構(gòu)的加工制作

2.1 鋼結(jié)構(gòu)加工制作的特點(diǎn)與難點(diǎn)

本工程建筑設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜，空間跨度、懸挑尺寸大（其中索拱、索殼跨度分別達(dá)到68m和58m，入口懸挑檐口南北向跨度更達(dá)100m、東西向跨度約40m），構(gòu)件類型多樣，板材厚度大，強(qiáng)度等級(jí)高（Q390GJC），給結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)與鋼結(jié)構(gòu)加工制作、施工安裝等工作帶來了相當(dāng)?shù)碾y度，主要有：

（1）該工程索拱和索殼結(jié)構(gòu)安裝于頂層21.0m樓板上方，最大安裝標(biāo)高達(dá)52m，施工投影面積192m×398m，屬超大型結(jié)構(gòu)的施工范疇，需特別考慮施工吊裝工藝組織設(shè)計(jì)；

（2）拱與殼結(jié)構(gòu)本身施工難度較大，本工程中索拱與索殼結(jié)構(gòu)具有跨度大（單跨達(dá)到68m）、重量重（桁架單榀重達(dá)185噸）、外形尺寸大以及柔性預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)分步張拉施工的特點(diǎn)；

（3）該工程材料強(qiáng)度高、超厚板構(gòu)件較多，加上焊接量龐大、節(jié)點(diǎn)部位焊縫集中、焊縫質(zhì)量要求高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在焊接過程中容易產(chǎn)生嚴(yán)重的角變形、扭曲變形、局部與整體變形，控制焊接變形與消除殘余應(yīng)力、防止層狀撕裂等構(gòu)件制作質(zhì)量要求很高。

（4）本工程屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工中同時(shí)進(jìn)行橋梁及混凝土工程的施工，施工面積大，三項(xiàng)工程工序交錯(cuò)，配合情況復(fù)雜，施組編制要求高。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)加工制作工藝措施

針對(duì)本工程結(jié)構(gòu)在加工、制作方面的特點(diǎn)與難點(diǎn)，編制了詳細(xì)的制作、焊接工藝流程，采取了一系列有效的工藝措施，確保結(jié)構(gòu)每一根構(gòu)件、每一處節(jié)點(diǎn)的制作質(zhì)量，進(jìn)而保證整個(gè)工程的質(zhì)量。由于節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的成形難度與加工質(zhì)量影響很大，在結(jié)構(gòu)擴(kuò)初設(shè)計(jì)階段即對(duì)結(jié)構(gòu)體系的組成與連接進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；考慮的因素主要有：構(gòu)件分段易于切分與現(xiàn)場(chǎng)吊裝；節(jié)點(diǎn)傳力明確，剛度分配合理，符合設(shè)計(jì)意圖與計(jì)算假定，易于施工；焊縫強(qiáng)度等級(jí)要求合理，構(gòu)造連接簡(jiǎn)便化，盡量減少焊縫焊接拘束度等。其中關(guān)鍵的焊接工藝措施如下：

（1）焊接變形控制。本工程中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件數(shù)量多且構(gòu)件形式各異，使用了較多的超厚板，如超厚板錐形鋼管柱、厚板箱形柱、厚板焊接H型梁與箱梁、超厚板徑索拱桁架等。為控制焊后構(gòu)件及板件產(chǎn)生較大變形，主要采取的工藝措施有：1）根據(jù)不同的焊接方法，選擇與控制合理的焊接順序，如對(duì)每條焊縫正反兩面分階段、反復(fù)施焊，或同一條焊縫分二個(gè)時(shí)間段施焊；2）通過設(shè)置胎模夾具，將異形厚板結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于固定的狀態(tài)下進(jìn)行裝配、定位，焊接；3）針對(duì)本工程厚板、超厚板焊接過程的特點(diǎn)，施焊工序注意進(jìn)行預(yù)熱溫度的控制工作，如采用補(bǔ)償加熱法工藝流程等；厚板焊前必須進(jìn)行加熱，加熱時(shí)按板材的不同厚度，采用紅外線電加熱板，并配備數(shù)顯電控箱，自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)焊接過程中的溫度；4）采取反變形措施，如在H型鋼拼裝前將上下翼緣板先預(yù)設(shè)反變形，反變形量則通過焊縫施焊過程中的熱輸入量計(jì)算及積累的工程工藝經(jīng)驗(yàn)綜合考慮后確定。

（2）焊接裂紋控制。為防止焊接裂紋的產(chǎn)生，除考慮上述各項(xiàng)工藝焊接條件外，主要采用以下措施：1）選取適宜焊材，控制焊材的化學(xué)成分；2）控制焊接工藝的參數(shù)、條件，提高根部焊縫質(zhì)量，提高焊縫清根要求；3）控制焊縫金屬在800℃～500℃之間冷卻速度（t8/5值），方法有焊前預(yù)熱、適當(dāng)增大焊接熱輸入、焊后的后熱和緩冷，以達(dá)到增大t8/5、降低冷裂紋敏感性的效果；4）焊后消氫處理以加速氫的擴(kuò)散。

對(duì)厚板及“T”型焊接與連接容易發(fā)生的層間撕裂，采取的預(yù)防措施主要有：1）控制鋼材的含硫量，減少母材夾雜物及分層缺陷，增加、控制鋼材的Z向性能；2）采用合理的節(jié)點(diǎn)與坡口設(shè)計(jì)以減小焊縫收縮應(yīng)力；如角接接頭中采用對(duì)稱坡口或偏向于側(cè)板的坡口，使焊縫收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力與板厚方向成一角度，尤其在特厚板時(shí)，側(cè)板坡口面角度應(yīng)超過板厚中心，以減小層狀撕裂傾向；3）采用合理的焊接工藝，如雙面坡口時(shí)采用兩側(cè)對(duì)稱多道次施焊、采用適當(dāng)小的熱輸入多層焊接，選用低氫、超低氫焊條或氣體保護(hù)焊方法、焊后消氫熱處理等；4）對(duì)于梁翼緣與柱壁板熔透焊接，且為厚板“T”型焊于薄板的情況，采取局部加厚柱壁板的措施，盡量避免尺寸相差比較懸殊的厚板“T” 型對(duì)接于薄板的情況。

（3）殘余應(yīng)力控制與消除。針對(duì)本工程加工過程中構(gòu)件的殘余應(yīng)力問題，工藝上主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制：1）減小焊縫尺寸（如單坡變雙坡等）及焊接拘束度；2）采取合理的焊接順序，如先焊對(duì)接縫，次焊垂直角焊縫，再焊平面角焊縫等；3）采取補(bǔ)償加熱法，焊前對(duì)焊縫周邊一定范圍內(nèi)進(jìn)行加熱，加熱溫度視板厚及母材碳當(dāng)量（CE）而定；4）對(duì)于大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取分部、分解組裝焊接，結(jié)構(gòu)各部分分別施工、焊接，矯正合格后總裝焊接。

盡管采取以上措施來控制焊接應(yīng)力，但因本工程構(gòu)件的特殊性，焊接完工后依然存在相當(dāng)大的應(yīng)力，為此還從以下幾個(gè)方面來進(jìn)一步消除構(gòu)件殘余應(yīng)力：1）在整平過程中通過加大對(duì)工件切割邊緣的反復(fù)碾壓，利用對(duì)工件整平消除應(yīng)力；2）控制加熱溫度與范圍，在構(gòu)件完工后對(duì)其焊縫背部或焊縫兩側(cè)進(jìn)行烘烤，通過局部烘烤釋放應(yīng)力；3）對(duì)厚板箱形構(gòu)件進(jìn)行超聲波震動(dòng)消除應(yīng)力；4）采用振動(dòng)時(shí)效法消除應(yīng)力；5）沖砂除銹時(shí)，噴出高壓鐵砂束對(duì)構(gòu)件焊縫及其熱影響區(qū)反復(fù)、均勻地沖擊，利用沖砂除銹的工序消除應(yīng)力。

2.3典型節(jié)點(diǎn)連接的深化設(shè)計(jì)

本工程鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型包括圓管（桁架）、梭形管及方管、矩形管（桁架）、H形鋼（桁架）等，構(gòu)件之間采用焊接、鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接、銷軸鉸接、栓焊混合連接及鑄鋼與焊接混合連接的方式。大跨度屋蓋鋼結(jié)構(gòu)主要采用空間相貫焊連接形式，索拱與索殼的索夾節(jié)點(diǎn)、變截面錐形柱分叉節(jié)點(diǎn)及部分柱頂節(jié)點(diǎn)等采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)形式，少量柱頂節(jié)點(diǎn)采用板式剛接節(jié)點(diǎn)，索拱、索殼的拉索端頭、部分柱腳采用銷軸鉸結(jié)連接。由于構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)連接類型多、構(gòu)造復(fù)雜，材料強(qiáng)度等級(jí)高、板材厚度大，結(jié)構(gòu)的深化設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)碾y度。其中最重要的節(jié)點(diǎn)連接類型主要有：索拱與索殼張弦結(jié)構(gòu)索夾節(jié)點(diǎn)；圓形、箱形及橢圓形變截面錐形柱分叉節(jié)點(diǎn)；柱頂板式加勁剛接節(jié)點(diǎn)；采光帶單層網(wǎng)殼箱梁交匯剛接節(jié)點(diǎn)；三向張弦梁及入口大廳懸挑結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)等。此處限于篇幅，另文詳述。

3.鋼結(jié)構(gòu)施工

3.1鋼結(jié)構(gòu)整體施工方案

對(duì)于本工程這樣的大型空間鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，現(xiàn)場(chǎng)施工組織設(shè)計(jì)至關(guān)重要，制定合理的施工方案并進(jìn)行準(zhǔn)確的施工過程分析是結(jié)構(gòu)安全施工與順利成形的根本保證。根據(jù)主體結(jié)構(gòu)的施工吊裝工藝要求與現(xiàn)場(chǎng)施工條件，本工程首先按場(chǎng)地分塊劃分圖設(shè)置臨時(shí)支撐，采用場(chǎng)內(nèi)對(duì)稱、分塊（結(jié)構(gòu)組成單元）與分步的結(jié)構(gòu)施工方案與吊裝技術(shù)路線，分塊、逐次地進(jìn)行結(jié)構(gòu)支座及主構(gòu)件的施工；在形成結(jié)構(gòu)受力骨架主體單元后，再按要求進(jìn)行分塊、局部區(qū)域的拼裝，直至結(jié)構(gòu)整體吊裝完成；無站臺(tái)柱雨棚與主站房部分施工相對(duì)獨(dú)立。

針對(duì)本工程預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工的難點(diǎn)與特點(diǎn)，在施工工藝上主要采取了以下的控制措施：1）嚴(yán)格控制制索精度；2）規(guī)定預(yù)應(yīng)力施加過程的速率，保證結(jié)構(gòu)經(jīng)歷一個(gè)平穩(wěn)自適應(yīng)的過程；3）確定預(yù)應(yīng)力施工順序，確保結(jié)構(gòu)盡可能均勻、對(duì)稱、勻速地施工，避免出現(xiàn)過大的局部集中荷載效應(yīng)并使預(yù)應(yīng)力分布到整個(gè)結(jié)構(gòu)；4）對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力鋼索的受力狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)與原設(shè)計(jì)相符。

現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)，將屋蓋鋼結(jié)構(gòu)劃分為8個(gè)安裝分區(qū)。預(yù)應(yīng)力張拉施工流程如下：1）每榀索拱桁架在地面拼裝完成后進(jìn)行初張拉，張拉力根據(jù)計(jì)算確定，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)起吊剛度及索拱支座間相對(duì)距離要求；2）將桁架吊裝至鋼柱定位后，B、D-1和D-2區(qū)拉索張拉時(shí)結(jié)構(gòu)互相不影響，可隨著安裝逐步進(jìn)行拉索張拉到位；3）對(duì)于A-1、A-2、C-1、C-2和E區(qū)，由于沿拉索軸線跨度方向受力與變形互相影響很大，需要在一個(gè)分區(qū)全部完成后，最終張拉到設(shè)計(jì)索力；4）全部屋面安裝完成后，對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)個(gè)別誤差較大的索桁架進(jìn)行張拉微調(diào)。

結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工分區(qū)圖

4.鋼結(jié)構(gòu)施工過程數(shù)值分析

對(duì)于此類復(fù)雜的多類型剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)組合體系，為能更好地了解結(jié)構(gòu)的受力性能以便于指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)的順利施工，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的施工各階段進(jìn)行考慮施工吊裝過程結(jié)構(gòu)累積受力與變形效應(yīng)的全過程有限元模擬計(jì)算，給出一些動(dòng)態(tài)的量化控制指標(biāo)，是保證工程安全有效實(shí)施不可或缺的重要環(huán)節(jié)。同時(shí)，在保證施工過程中主結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力安全與合理的情況下，采用的吊裝施工分段工況盡量少，吊裝分塊盡量合理，以力圖實(shí)現(xiàn)最快的施工進(jìn)度并取得最好的施工質(zhì)量效果。

4.1 主站房計(jì)算結(jié)果

根據(jù)主站房屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工全過程有限元數(shù)值分析結(jié)果可知，在整個(gè)施工過程中，隨著各部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的順序安裝，結(jié)構(gòu)反力逐步增大，胎架支撐的最大應(yīng)力為125N/mm2<210N/mm2，發(fā)生于中央采光帶下支承胎架聯(lián)系梁的上弦處（第15施工步）；主構(gòu)件的最大應(yīng)力為278N/mm2<310N/mm2，發(fā)生于E軸檁條的懸挑處（第18施工步），均滿足要求。

支撐胎架總體位移控制在100mm之內(nèi)（鑒于此，實(shí)際施工中要求相應(yīng)部位構(gòu)件安裝時(shí)通過預(yù)拉纜風(fēng)繩等加強(qiáng)其整體聯(lián)系），滿足施工要求。由于施工過程分析考慮了結(jié)構(gòu)變形的累加效應(yīng)，隨著結(jié)構(gòu)的逐步吊裝成形，構(gòu)件變形逐步加大，主結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大整體位移115mm（發(fā)生于A軸附近懸挑檁條處），均符合要求。

4.1.1 無站臺(tái)柱雨棚計(jì)算結(jié)果

從無站臺(tái)柱雨棚屋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工全過程有限元數(shù)值分析結(jié)果可知，在整個(gè)施工過程中，隨著各部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的順序安裝，結(jié)構(gòu)反力逐步增大，胎架支撐的最大應(yīng)力180N/mm2（局部范圍）<210N/mm2，發(fā)生于支撐頂部豎桿部位（第16施工步）；主構(gòu)件最大應(yīng)力117N/mm2<310N/mm2，發(fā)生于索拱端部水平桿（第11施工步）；主結(jié)構(gòu)拉索最大內(nèi)力1348kN

在無站臺(tái)柱雨棚施工過程中，胎架支撐水平位移較小（x向最大13mm，y向最大26mm），主要發(fā)生在格構(gòu)柱頂部位，滿足設(shè)計(jì)要求；但鑒于該胎架頂部水平撐桿部位計(jì)算應(yīng)力較大，且最大豎向位移也發(fā)生在此處，在設(shè)計(jì)支撐截面時(shí)予以適當(dāng)加大，保證其不成為控制胎架受力的主要因素。由于施工過程分析考慮了結(jié)構(gòu)變形的累加效應(yīng)，隨著結(jié)構(gòu)的逐步吊裝成形，構(gòu)件變形逐步加大，主結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大整體位移67mm（發(fā)生于結(jié)構(gòu)G～I(xiàn)軸/3軸索拱處），符合要求。

5.結(jié) 語

作為我國(guó)新建的四大高鐵客運(yùn)樞紐之一，廣州南站大型空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)構(gòu)件類型多樣、構(gòu)造復(fù)雜，其節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)、構(gòu)件加工制作與結(jié)構(gòu)施工安裝具有相當(dāng)?shù)碾y度。本文主要對(duì)其極富特色的站臺(tái)無柱雨棚鋼桁架支撐預(yù)應(yīng)力索拱結(jié)構(gòu)、主站房及中央采光帶、入口大廳懸挑結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力索拱與索殼組合弧形屋蓋鋼結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)制作、主體鋼結(jié)構(gòu)的施工安裝等內(nèi)容進(jìn)行說明，著重闡述了其中重要的節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件所采取的制作與施工技術(shù)、預(yù)應(yīng)力索拱與索殼的張拉施工等關(guān)鍵技術(shù)措施與結(jié)構(gòu)施工全過程的有限元數(shù)值分析等重點(diǎn)內(nèi)容，可供同類大型建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)與施工參考。

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