祝 軻
大量城市地鐵建設(shè)項(xiàng)目中,鋼結(jié)構(gòu)雨棚應(yīng)用變得愈發(fā)廣泛。城市軌道交通存在客流量大、干擾多的特點(diǎn)[1]。地鐵車站出入口雨棚的建設(shè)數(shù)量龐大,而傳統(tǒng)的地鐵出入口雨棚施工周期長(zhǎng),粉塵、噪音污染嚴(yán)重。當(dāng)今,裝配式建筑的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,且具有節(jié)約人力物力資源、施工精度可靠、結(jié)構(gòu)質(zhì)量良好、施工周期較短等優(yōu)點(diǎn)[2]。采用地鐵出入口鋼雨棚裝配式施工技術(shù),并通過(guò)工程實(shí)踐已經(jīng)取得了較好的效果,將地鐵車站出入口鋼雨棚裝配式施工技術(shù)做了總結(jié),以期為后續(xù)相關(guān)工程施工提供借鑒。
在傳統(tǒng)施工技術(shù)中,地鐵車站出入口雨棚通常是現(xiàn)場(chǎng)施工建造。對(duì)附近地面交通干擾大,鋼構(gòu)件地面拼裝時(shí)需要較大的場(chǎng)地,且費(fèi)用高,工期長(zhǎng)[3]。這種傳統(tǒng)的施工技術(shù)受到施工周期、天氣條件、施工現(xiàn)場(chǎng)管理等復(fù)雜等問(wèn)題的限制,而裝配式施工技術(shù)在地鐵車站出入口雨棚的建設(shè)中具有快速施工、減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、質(zhì)量可有效控制等優(yōu)點(diǎn)。
然而,該技術(shù)也存在實(shí)施難度:第1,設(shè)計(jì)和工程配合。裝配式施工需要提前進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃,確保構(gòu)件的準(zhǔn)確性和一致性。與傳統(tǒng)施工方法不同,裝配式施工需要工程的各個(gè)參與方進(jìn)行更密的切協(xié)作配合;第2,運(yùn)輸和安裝。預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸和安裝需要考慮到尺寸、重量和特殊要求。有時(shí)可能需要專用的運(yùn)輸設(shè)備和機(jī)械進(jìn)行安裝,增加了難度和成本;第3,技術(shù)要求和培訓(xùn)。裝配式施工需要具備相關(guān)的技術(shù)知識(shí)和操作技能。施工人員可能需要接受專門的培訓(xùn),以掌握裝配式施工技術(shù)。
盡管裝配式施工技術(shù)在地鐵車站出入口雨棚建設(shè)中具有一些實(shí)施難度,但由于其快速施工、質(zhì)量控制和減少現(xiàn)場(chǎng)工作等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越多的地鐵項(xiàng)目選擇采用這種技術(shù)。本文技術(shù)依托深圳市崗廈北交通樞紐站出入口鋼雨棚項(xiàng)目,該出入口鋼雨棚長(zhǎng)14.6 m,寬6.3 m,高2.8 m。在實(shí)施過(guò)程中需考慮單元?jiǎng)澐?、受力分析、材料加工、材料運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)拼裝等施工因素。
鋼雨棚裝配式技術(shù)有2 種安裝方式?整體加工和吊裝;分段加工和吊裝。整體加工和吊裝的方式存在會(huì)受到超寬、超高和現(xiàn)場(chǎng)施工空間狹小限制等問(wèn)題,且整體加工和吊裝方式所涉及的材料多,預(yù)制的工序多,組裝工藝復(fù)雜。整體裝配時(shí)容易出現(xiàn)定位不準(zhǔn)、尺寸誤差等情況,致使施工質(zhì)量差、增加施工周期、使用壽命短的問(wèn)題。分段加工和吊裝的方式由于分解處理了原本過(guò)寬、過(guò)高的雨棚,可以規(guī)避施工空間狹小問(wèn)題,且分段加工、分段吊裝的方式受出入口截面大小、空間位置及施工能力等相關(guān)制約較小,施工更加靈活。
根據(jù)地鐵車站出入口鋼雨棚特點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件,鋼結(jié)構(gòu)加工限制等因素,將鋼雨棚劃分為后端單元板塊、第1 側(cè)面單元板塊、第2 側(cè)面單元板塊、頂面單元板塊,由于頂面加工成1 個(gè)單元板塊超寬,因此需將頂面加工成3 個(gè)單元板塊,這樣將分成6 個(gè)單元板塊。在設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行編號(hào)排列[3]。有效解決了單元板塊運(yùn)輸超寬超高的問(wèn)題,也解決了現(xiàn)場(chǎng)狹小無(wú)法整體吊裝的問(wèn)題,單元板塊在工廠加工拼裝并涂裝完成后,運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行就位拼裝,減少現(xiàn)場(chǎng)焊接和涂裝,施工質(zhì)量得到保證。在吊裝構(gòu)件的時(shí)候,應(yīng)當(dāng)防止其發(fā)生變形,這便需要對(duì)構(gòu)件各部位的受力情況進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算[4]。
2.1.1 頂部單元板塊受力分析
出入口鋼雨棚頂部受力的劃分原則是根據(jù)其組成形式進(jìn)行劃分,并需進(jìn)行受力分析得出。鋼雨棚頂部由主梁和次梁組成,連接方式為焊接。主梁截面(長(zhǎng)、寬、厚)為200 mm×200 mm×8 mm,及200 mm×100 mm×8 mm的矩形空心管;次梁截面(長(zhǎng)、寬、厚)為200 mm×100 mm×8 mm,及100 mm×100 mm×8 mm的矩形空心管;鋼材均采用Q235B 鋼材,鋼材密度為7850 kg/m3,彈性模量為2.06×104 N/mm2,泊松比為0.3;鋼材本構(gòu)關(guān)系考慮屈服后材料硬化所以采用雙折線模型。為了使求解的結(jié)果更接近實(shí)際情況,模型采用固體Solid 單元。根據(jù)便于安裝運(yùn)輸?shù)囊?,首先將雨棚頂面劃分? 個(gè)單元,其中單元一為懸挑,單元二、三為非懸挑,懸挑模型如圖1 所示。
圖1 ANSYS 軟件中創(chuàng)建鋼雨棚單元模型(來(lái)源:作者自繪)
2.1.2 對(duì)劃分單元板塊吊裝受力和變形分析
網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1,其中主、次梁網(wǎng)格尺寸為20 mm。為了保證現(xiàn)場(chǎng)吊裝的安全和控制變形采用四點(diǎn)吊,吊點(diǎn)位置選在次梁的4 個(gè)角上,因此有限元模型中邊界條件將吊點(diǎn)設(shè)置完全固結(jié),如圖2 所示(即構(gòu)件在x、y、z任意方向均不發(fā)生相對(duì)位移與轉(zhuǎn)動(dòng))。
圖2 鋼雨棚吊裝點(diǎn)約束施加(來(lái)源:作者自繪)
2.1.3 單元板塊重力荷載作用分析
鋼雨棚在吊裝的過(guò)程中只受到重力載荷,即為鋼雨棚的自重荷載,在ANSYS 軟件中直接添加重力加速度,選擇豎直向下為正方向,ANSYS 將自動(dòng)的轉(zhuǎn)化成鋼雨棚的自重,如圖2 中的A 所示。創(chuàng)建作業(yè)并提交,即可算出鋼雨棚在施工階段自重荷載作用下的受力變形圖,計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。變形分析從圖3 中可以看出單元的最大變形分別為0.607 mm,重力荷載作用下鋼材橫梁撓度限值為:df,lim=橫梁長(zhǎng)度L/400=6801/400=17.002 mm,鋼材橫梁撓度限值遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)計(jì)算值的0.607 mm,因此鋼架梁變形在規(guī)定范圍之內(nèi),滿足變形要求。根據(jù)受力分析可以計(jì)算得出,單元的最大支座反力分別為5507.2 N;由圖4 可知單元鋼架梁在施工階段所受最大切應(yīng)力發(fā)生在次梁和主梁固結(jié)處分別為43.851 MPa。
圖3 吊裝單元重力荷載變形(來(lái)源:作者自繪)
圖4 吊裝單元的最大剪力圖(來(lái)源:作者自繪)
參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)中4.4.5 條款規(guī)定Q235鋼材角焊最大許用設(shè)計(jì)強(qiáng)度為160 MPa 大于43.851 MPa;因此鋼架梁滿足承載能力滿足要求。
鋼結(jié)構(gòu)地鐵車站出入口鋼結(jié)構(gòu)雨棚的材料材質(zhì)應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、抗震性能好等特點(diǎn)。常用的鋼材材質(zhì)有Q235、Q355 等。同時(shí),在環(huán)保方面也應(yīng)注意選擇符合國(guó)家要求的材料。加工精度應(yīng)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行生產(chǎn)和制造,包括鋼結(jié)構(gòu)中零件的加工精度、尺寸精度和加工表面質(zhì)量等方面,要求達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。
鋼結(jié)構(gòu)雨棚的加工制造過(guò)程中,變形控制是非常重要的方面,包括焊接、預(yù)拼裝和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)都需要注意控制變形。因此,應(yīng)采用先進(jìn)的預(yù)處理工藝和正確的焊接方法,確保結(jié)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力均勻、變形控制。
在工廠進(jìn)行單元板塊加工及預(yù)拼裝,除銹防腐完成后,運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配化組裝如圖5 所示,圖中序號(hào)1 ~6 為安裝順序。并用BIM 技術(shù)進(jìn)行模擬施工,各單元板塊裝配化組裝時(shí),后端橫梁和頂面橫梁為對(duì)應(yīng)面的橫梁,第1 側(cè)面縱梁、第2 側(cè)面縱梁和頂面縱梁為對(duì)應(yīng)面的縱梁,且雨棚側(cè)面和雨棚頂面之間的第1 交接縱梁劃分給第1 側(cè)面單元板塊,雨棚側(cè)面和雨棚頂面之間的第2 交接縱梁劃分給第2 單元板塊,雨棚頂面和雨棚后端面之間的交接橫梁劃分給后端單元板塊,能夠減少頂面單元板塊的重量,便于吊裝;后端立柱、第1 側(cè)面立柱、第2 側(cè)面立柱是位于對(duì)應(yīng)面的立柱,且雨棚側(cè)面和雨棚后端面之間的第1 交接立柱劃分給第1 側(cè)面單元板塊,雨棚側(cè)面和雨棚后端面之間的第2 交接立柱劃分給第2 側(cè)面單元板塊,能夠保證第1 側(cè)面單元板塊和第1 側(cè)面單元板塊吊裝后的穩(wěn)定性,有利于后期頂面單元板塊的吊裝穩(wěn)定。
圖5 裝配化組裝順序及單元?jiǎng)澐諦IM 模型(來(lái)源:作者自繪)
在生產(chǎn)過(guò)程中,其堆放和運(yùn)輸工作也非常重要。在堆放過(guò)程中要正確使用支撐,避免結(jié)構(gòu)件變形。在運(yùn)輸過(guò)程中,要選擇合適的運(yùn)輸車輛,對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行固定和防護(hù),避免產(chǎn)生撞擊和磨損等影響。
2.3.1 吊裝前準(zhǔn)備
首先需進(jìn)行場(chǎng)地清理與鋪設(shè)道路,本案例地鐵車站出入口鋼雨棚主要采用一臺(tái)25T 汽車吊進(jìn)行鋼構(gòu)的安裝。材料進(jìn)場(chǎng)后應(yīng)水平放置,有條件的情況下需要墊木方,避免變形,為保證吊裝正常進(jìn)行,應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行驗(yàn)收,主要是對(duì)構(gòu)件的焊縫、尺寸以及厚度等進(jìn)行檢驗(yàn)。最后根據(jù)圖紙圖及水準(zhǔn)點(diǎn)交接單,對(duì)定位點(diǎn)平面位置及坐標(biāo)以及水準(zhǔn)基點(diǎn)的高程進(jìn)行復(fù)核。進(jìn)行試吊,吊起一端高度10 ~20 cm時(shí)暫停起吊,檢查索具是否牢固[5]。
2.3.2 鋼雨棚的吊裝
后端單元板塊安裝:將后端單元板塊吊裝至雨棚基礎(chǔ)后端的指定位置,并與后端立柱底部基礎(chǔ)臨時(shí)焊接,因后端單元板塊比兩側(cè)的單元板塊更小,優(yōu)先吊裝較小的后端單元板塊便于安裝、調(diào)整和固定,保證兩個(gè)方向的垂直精度。后端單元板塊吊裝就位后,對(duì)平面外內(nèi)垂直校準(zhǔn),斜撐固定,再進(jìn)行下一個(gè)單元板塊吊裝。
側(cè)面單元板塊安裝:后端單元板塊定位后將側(cè)面單元板塊吊裝至基礎(chǔ)上的指定位置,并將立柱底部與基礎(chǔ)臨時(shí)焊接同時(shí)對(duì)平面外內(nèi)垂直校準(zhǔn),斜撐固定,垂直度滿足要求后,再進(jìn)行橫梁的焊接。
2.3.3 安裝雨棚的施工平臺(tái)
為便于頂棚和單元板塊施工,在兩側(cè)板塊吊裝就位并臨時(shí)固定穩(wěn)定后安裝施工平臺(tái)。如圖6 所示,在第一側(cè)面單元板塊側(cè)面立柱的中部搭設(shè)沿地鐵出入口縱向設(shè)置的導(dǎo)軌,并在第二側(cè)面單元板塊側(cè)面立柱的中部搭設(shè)沿地鐵出入口縱向設(shè)置的導(dǎo)軌。2 個(gè)導(dǎo)軌等高設(shè)置;操作底部?jī)蓚?cè)的滾輪分別放置在兩側(cè)導(dǎo)軌中,使操作平臺(tái)能夠沿地鐵出入口縱向移動(dòng),施工人員能夠隨操作平臺(tái)的移動(dòng)對(duì)雨棚不同位置進(jìn)行施工,無(wú)需像滿堂腳手架那樣需要占據(jù)地鐵出入口的所有空間,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可滿足對(duì)雨棚的全面施工,安裝方便并能夠重復(fù)使用。且滾輪上設(shè)有鎖定結(jié)構(gòu),當(dāng)施工人員在操作平臺(tái)上作業(yè)時(shí),能夠鎖定滾輪,避免滾輪滑動(dòng),保證施工人員的安全。此外,導(dǎo)軌的高度超過(guò)欄桿和電扶梯扶手高度,使得施工人員在操作平臺(tái)上作業(yè)時(shí),平臺(tái)下方的專業(yè)設(shè)施能夠平行作業(yè),提高施工效率,縮短工期。
圖6 施工平臺(tái)安裝完成圖(來(lái)源:作者自繪)
2.3.4 頂面單元板塊安裝
將頂面單元板塊吊裝至指定高度,頂面單元板塊橫梁對(duì)準(zhǔn)測(cè)量立柱橫梁位置,校準(zhǔn)定位,無(wú)誤后進(jìn)行焊接固定。各單元板塊安裝完成后對(duì)整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)側(cè)面、頂面平整度、垂直度進(jìn)行檢測(cè)核驗(yàn),無(wú)誤后進(jìn)行滿焊,以保證最終質(zhì)量。
2.3.5 雨棚墻頂面裝飾施工
鋼結(jié)構(gòu)雨棚機(jī)電、裝修安裝采用了移動(dòng)施工平臺(tái)安裝,可以重復(fù)利用,拆裝快速,移動(dòng)平臺(tái)的使用方便鋼雨棚裝修施工和機(jī)電安裝施工,不影響樓梯裝修施工、扶梯安裝調(diào)試和欄桿安裝,出入通道暢通,且不受雨季等季節(jié)性施工的影響。吊頂鋁板裝飾施工方便、工期短、工效高、交叉施工影響小。
本文地鐵車站出入口鋼雨棚裝配式施工技術(shù),采用移動(dòng)施工平臺(tái)安裝,對(duì)交叉施工干擾小,可縮短施工周期,安全隱患小,解決了傳統(tǒng)地鐵車站出入口雨棚施工面臨的環(huán)境、安全、造價(jià)等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了地鐵車站施工全過(guò)程處于安全、穩(wěn)定、快速、優(yōu)質(zhì)的可控狀態(tài),同時(shí)降低了成本,形成新型地鐵車站裝修工程裝配式的施工技術(shù)。
本文研究成果除了可以直接用于依托工程的建造,并已經(jīng)取得了1 項(xiàng)發(fā)明專利:《一種地鐵車站出入口的雨棚的施工方法》(ZL 202110395091.3),1 項(xiàng) 實(shí) 用新型專利:《一種用于地鐵出入口雨棚施工的移動(dòng)式施工平臺(tái)》(ZL 202120753281.3),在其他相類似的地鐵車站出入口施工中也得到了廣泛推廣應(yīng)用。