汪韋韋， 王強

（1. 中鐵建設集團有限公司 基礎設施事業(yè)部，北京 100040；2. 中國鐵路北京局集團有限公司 地下直徑線工程項目管理部，北京 100045）

0 引言

隨著現代化大型鋼結構建筑的迅速發(fā)展，大跨度空間鋼結構由于結構形式獨特和造型優(yōu)美等特點被廣泛應用，新結構不斷涌現且越來越復雜［1-2］。索南等［3］系統(tǒng)總結并探討了圓形斜柱大跨度中庭空間鋼結構設計內容，結合建筑物的造型與受力特點，構建空間鋼結構體系，并創(chuàng)建空間整體計算模型。邢喜旺等［4-6］制定科學、合理的鋼結構吊裝方案，用于指導整個吊裝施工，確定了吊裝施工順序及工藝要求，保證了空間鋼結構桁架的安裝質量。徐卓寧［7］針對拱桁架吊裝單元吊點設計及其變形進行闡述和分析，確定拱桁架鋼結構吊裝的分段位置，在分段位置設立臨時支撐架，對其下部結構進行加固，并對臨時支撐架的受力進行分析及檢算，吊裝單元變形滿足安裝要求。

北京朝陽站鋼結構屋蓋管桁架設計解決了鋼結構桁架拼裝復雜、施工進度慢、多管相貫口拼裝精度不高、焊接質量難以保證等問題。屋蓋管桁架設計中用梭形斜柱支撐屋蓋中間部位，以增加結構抗側剛度、減小結構變形、增加舒適性及安全性。

1 工程概況

北京朝陽站站房總建筑面積18.3萬m2，站臺雨棚面積6.2萬m2，鋼結構總用量約13 000 t。鋼結構屋蓋管桁架的結構形式獨特，總體結構造型優(yōu)美、流線型強，中間部位設置梭形斜柱，梭形斜柱從I-9和I-14軸設置在高架層9.8 m標高混凝土柱頂開始生根，斜度60°。工程典型節(jié)點主要為柱底支座節(jié)點、梭形斜柱鑄鋼節(jié)點、異型鑄鋼節(jié)點、鋼柱與上部屋蓋管桁架連接節(jié)點、管桁架相貫節(jié)點等。鋼結構整體軸側示意見圖1。

圖1 鋼結構整體軸側示意圖

2 主要施工重難點

（1）定位控制復雜、吊裝難度大。工程鑄鋼件設計形狀為V 形、五分叉及梭形斜柱3 種形式，V 形鑄鋼件質量為6.7 t，五分叉形鑄鋼件質量為13.5 t，梭形斜柱最大質量為28.4 t。由于鑄鋼件節(jié)點復雜、噸位重導致定位加固困難、吊裝施工難度大、不易控制，鑄鋼件精確定位決定整個拼裝單元以及提升后與梭形斜柱連接的準確性。V 形鑄鋼件安裝在KLQZ 系列球形鋼支座上，傾斜角度（60°）較大，鑄鋼件吊裝完成后，臨時固定難度大，難以保證其穩(wěn)定性。梭形斜柱安裝在異形鑄鋼件上要求精度高，連接角度控制將直接影響屋蓋管桁架合攏的精度。場地狹小、空間受限，吊裝難度大，如何進行鑄鋼件、梭形斜柱的吊裝和對接是整個安裝過程的難點。梭形斜柱與鑄鋼件關系示意見圖2。

圖2 梭形斜柱與鑄鋼件關系示意圖

（2）焊接質量要求高、作業(yè)難度大。梭形斜柱材質為Q345GJC-Z15，鑄鋼件材質為G20Mn5QT，不同材質焊接難度大，鑄鋼節(jié)點及與其連接的構件均為厚板，球形鋼支座焊接處最大厚度117 mm，焊接熔敷量大、殘余應力大。球形支座是連接結構基礎和梭形斜柱的關鍵部位，而鑄鋼節(jié)點是連接屋蓋桁架管與梭形斜柱的關鍵節(jié)點，為確保安裝后有可靠的受力和傳力，必須嚴格控制鑄鋼節(jié)點和球形鋼支座的焊接質量。

3 安裝方案及技術措施

3.1 安裝方案

北京朝陽站鋼結構屋蓋管桁架制作及現場安裝難度大，具有大跨度、大懸挑、大截面及大噸位的特點，交叉施工多、風險大。若采用傳統(tǒng)順施工，先進行梭形斜柱與柱底的球形支座、鑄鋼件安裝，后進行桁架管與梭形斜柱對接合攏安裝施工。按照傳統(tǒng)順施工，超長超重梭形斜柱頂部無安全可靠固定措施，安裝精度偏差較大；同時屋蓋桁架在地面拼接組裝與梭形斜柱部位重疊需要占據大量空間，導致梭形斜柱部位的屋蓋桁架需要預留大部分管構件不能進行同步拼裝，需要后期在高空散拼作業(yè)，存在高空組裝難度大、工期長、費用高、風險大等不利因素。順施工示意見圖3，先進行梭形斜柱與柱底的球形支座、鑄鋼件安裝施工，接著在主體結構地面進行屋蓋管桁架拼接組裝，最后把屋蓋桁架整體提升至設計標高與梭形斜柱進行對接合攏。

屋蓋在鋼結構施工過程中根據“所有構件盡量采用地面拼裝焊接”的原則，并結合現場場地、汽車吊噸位情況，為減少桁架分段、節(jié)省工期、提高大型機械工作效率、減少高空焊接作業(yè)量，采用逆施工方案。

3.1.1 逆施工方案

逆施工是先進行鋼結構屋蓋管桁架頂部施工，后進行梭形斜柱與柱頂、柱底的鑄鋼件合攏安裝。梭形斜柱連接上部帶有關節(jié)軸承的異形鑄鋼件和下部的V形鑄鋼件，梭形斜柱采用臨時支撐固定校正，進行鑄鋼件和梭形斜柱的焊接，焊后對梭形斜柱的焊縫進行探傷，待其合格后方可進行吊裝。

3.1.2 逆施工優(yōu)點

（1）解決了雙向雙傾斜梭形斜柱提前安裝無法固定連接的難題。

（2）避免了整體桁架與梭形斜柱之間整體對接局部的難題。

（3）減少了高空組裝量、焊接量及作業(yè)風險。

（4）解決了梭形斜柱與整體桁架安裝誤差不易控制的難題，因屋蓋管桁架為帶有關節(jié)軸承的可調鑄鋼件，逆向安裝有利于梭形斜柱與鑄鋼件對接組裝。

（5）解決了梭形斜柱分段高空組裝誤差大的難題。

（6）保證了梭形斜柱整體吊裝精度，梭形斜柱頂部為帶鉸接的鑄鋼件，便于與下部球形支座對接組裝，大大節(jié)約了工期。

3.1.3 逆施工安裝順序

屋蓋管桁架的梭形斜柱支撐整體安裝順序如下：混凝土梭形斜柱墩放線→鋼筋綁扎→鋼模板安裝→球形支座埋件放線定位安裝→混凝土澆筑→放線定位→球形支座安裝→V形鑄鋼件安裝→梭形斜柱安裝→標高調整、軸線符合→組合定位→焊接固定。逆施工安裝示意見圖4，異形鑄鋼件示意見圖5。圖4 中吊耳、限位板為梭形斜柱和球形支座的輔助吊裝固定措施；銷軸為異形鑄鋼件的可調節(jié)連接件，主要用來連接異形鑄鋼件和梭形斜柱。

圖4 逆施工示意圖

圖5 異形鑄鋼件示意圖

（1）異形鑄鋼節(jié)點測量分平面、高程控制2 個部分，鑄鋼件和球形支座吊裝前，用高精度全站儀在梭形斜柱頂上側放出軸線的中心線，并將標高控制點引至柱頂，測量精度需符合規(guī)范及設計要求。異形鑄鋼件吊裝前，結合模型將坐標位置定位，鑄鋼件體積大、重量大、分支多、節(jié)點受力大，最大壓力8 181 kN，整個屋蓋管桁架拼裝完成后整體提升至設計標高，便于后續(xù)V 形鑄鋼件和梭形斜柱吊裝。異形鑄鋼件吊裝見圖6。

（2）工程梭形斜柱柱底設計采用KLQZ系列球形鋼支座，最大豎向承載力為17 500 kN，安裝在梭形斜柱墩提前植入的預埋件當中。V 形鑄鋼件吊裝焊接在KLQZ 系列球形鋼支座上，具有承載力大、傳力可靠、轉動靈活、轉角大等特點，而且能夠減輕因地震力、梁端配重和離心力、橫向搖擺力、橫向風力等產生的豎向拉力和橫向剪切力，還能夠可靠地解決梭形斜柱安裝等問題，使梭形斜柱的受力和變位更趨向穩(wěn)定，從而延長梭形斜柱的使用壽命。將梭形斜柱柱底組合拼裝焊接后形成整體，然后采用汽車吊進行整體吊裝就位。

圖6 異形鑄鋼件吊裝

3.2 作業(yè)吊車選擇

（1）五分叉鑄鋼件質量為13.50 t；V形鑄鋼件質量為6.70 t；球形支座質量為0.87 t；梭形斜柱最大質量為28.40 t，長度為19 m，吊裝高度約為28.7 m，梭形斜柱的截面規(guī)格為900 mm×45 mm 和1 300 mm×45 mm。根據現場實際工況和軟件模擬，異形鑄鋼件和V 形鑄鋼件采用單臺汽車吊直接吊裝到位；由于梭形斜柱質量較大，經驗算現場采用單臺50 t 汽車吊無法滿足要求，故梭形斜柱采用2臺吊車同步抬吊。

針對2臺吊車同步抬吊進行計算：

式中：Q主為主吊車起重質量，t；Q副為副吊車起重質量，t；Q1為最重梭形斜柱自質量，Q1=28.4 t；Q2為索具質量，Q2＝2 t；K為起重機降低系數，K=0.8。

可得：

（2）起重高度計算：

式中：H為起重高度，m；H1為安裝支座表面高度，m；H2為安裝間隙，一般取0.2～0.3 m；H3為綁扎點至構件起吊后底面的距離，m；H4為索具高度，m。

梭形斜柱上端汽車吊：取H1＝4.0 m，H2＝0.2 m，H3＝18.6 m，H4＝2.0 m。選用起重機的起重高度H≥24.8 m，起重高度取25.0 m。

梭形斜柱下端汽車吊：取H1＝4.0 m，H2＝0.2 m，H3＝2.2 m，H4＝1.8 m。選用起重機的起重高度H≥8.2 m，起重高度取9.0 m。

（3）起重臂長度：

式中：L為起重臂長度，m；H為起重高度，m；h0為起重臂頂至吊鉤底面的距離，m；h 為起重臂底鉸至停機面距離，m；α為起重臂仰角，工程取α=60°。

梭形斜柱上端汽車吊：取H＝25.0 m，h0＝3.8 m，h＝1.6 m，因此起重臂長度L≥（25+3.8-1.6）/sin（60°）＝31.2 m；工作半徑取9.0 m。

梭形斜柱下端汽車吊：取H＝9.0 m，h0＝5.6 m，h＝1.6 m，因此起重臂長度L≥（9+5.6-1.6）/sin（60°）＝15.0 m；工作半徑取9.0 m。

（4）綜合考慮上述關于吊車起重計算，并參考吊車性能參數，選用1 臺80 t 汽車吊吊裝梭形斜柱上端對接異形鑄鋼件和1 臺50 t 汽車吊吊裝梭形斜柱下端可以滿足施工要求（見圖7）。

圖7 梭形斜柱整體抬吊

根據GB 50755—2012 《鋼結構工程施工規(guī)范》4.2.7 要求（對吊裝狀態(tài)的構件或結構單元，宜進行強度、穩(wěn)定性和變形驗算，動力系數宜取1.1～1.4），用有限元軟件Midas Gen 對北京朝陽站梭形斜柱雙機抬吊工況下進行吊裝驗算，驗算時吊裝動力系數為1.2，驗算結果見圖8、圖9。

圖8 梭形斜柱整體位移圖

圖9 梭形斜柱組合應力圖

在吊裝過程中，梭形斜柱整體位移3.58 mm，吊裝鋼絲繩位移2.72 mm，則梭形斜柱絕對變形（3.58-2.72）mm ＝0.86 mm，最大組合應力為6.68 MPa，均滿足規(guī)范要求。梭形斜柱吊裝見圖10。

3.3 焊接

異形鑄鋼件材質為G20Mn5QT，鋼管材質為Q345C，鑄鋼件與不同壁厚鋼管對接完成后進行焊接，采用45°坡口的墊板，放置在薄壁鋼管位置，可避免鑄鋼件與鋼管不等厚焊接時焊縫截面突變導致焊縫探傷不合格的問題，并且使鑄鋼件與鋼管可以較平緩過渡，有效改善焊接接頭性能，減小焊縫的應力集中。

球形支座和V 形鑄鋼件的材質分別為ZG20Mn+06Cr17Ni12Mo2 和G20Mn5QT， 梭 形 斜 柱 材 質 為Q345GJC。球形支座與V 形鑄鋼件焊接、V 形鑄鋼件與梭形斜柱焊接，兩者均為不同材質焊接，而且涉及冬季施工，均為Ⅰ級焊縫。因此要采取焊前預熱、焊時防風、焊后保溫的保護措施，以減少冬季寒冷對焊接造成的影響。長焊縫進行焊接時，采用雙人雙機的對稱焊接方法，可有效減少因單面焊接造成的應力變形，加快焊接進度，減少因焊接量巨大時多次預熱對焊縫的損傷［8-11］，V形鑄鋼件焊接操作見圖11。

圖11 V形鑄鋼件焊接操作

4 結束語

北京朝陽站站房工程鋼結構屋蓋管桁架經過深化設計使用了86 個鑄鋼節(jié)點，32 根梭形斜柱。工程存在異形鑄鋼件精確定位、梭形斜柱吊裝及高空厚板構件焊接等重大難題，在施工過程中采取合理利用空間逆向施工，事先策劃結合軟件模擬，通過多角度定位測控、抬吊、低溫對稱焊等技術措施，有效解決了狹小場地空間下大型鑄鋼節(jié)點、梭形斜柱的安裝難題，大大縮短了施工周期，節(jié)約了大量成本。采取上述措施、方法可為類似大型鑄鋼節(jié)點和梭形斜柱安裝的建筑施工提供參考和借鑒。