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徐州火車(chē)站無(wú)柱風(fēng)雨棚懸索結(jié)構(gòu)施工技術(shù)
（上海鐵路局徐州樞紐建設(shè)指揮部 江蘇徐州 李曉峰 221000 )
(中冶建筑研究總院有限公司華東分院 金立贊200940）
摘要：徐州火車(chē)站無(wú)站臺(tái)柱雨棚為單向受力的張弦桁架鋼結(jié)構(gòu)體系，該體系由鋼管桁架梁、撐桿和拉索組成，通過(guò)在下弦拉索中施加預(yù)應(yīng)力使上弦壓彎構(gòu)件產(chǎn)生反撓度，使結(jié)構(gòu)在荷載的作用下產(chǎn)生的最終撓度得以減少，是一種新型的自平衡體系。在該結(jié)構(gòu)的施工中，預(yù)應(yīng)力懸索是關(guān)鍵部位，預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制是重點(diǎn)，因此有必要對(duì)懸索的施工技術(shù)進(jìn)行探討，為同類(lèi)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程提供借鑒。
關(guān)鍵詞： 預(yù)應(yīng)力懸索 結(jié)構(gòu)施工
Construction Technique for Suspension Cable of Non-prop Platform Canopy in Xuzhou Railway Station
Li xiaofeng
(Construction Headquarter of Xuzhou Terminal Shanghai Railway Administration, 221000)
Abstract: The non-prop platform canopy in Xuzhou railway station, is a truss string structure. The system is combined by steel pipe truss beam, struts and cables. As a new self balance structure, pre-stress was employed in bottom chord cable in the construction, and thus the structure deformation under the load was reduced. The key point in construction is the control of pre-stress in the cable. It is necessary to study on the pre-stress control, and the experiences can be referenced and popularized.
Keywords: Non-prop platform canopy, pre-stress suspension cable, construction technique
1. 工程概況
徐州火車(chē)站無(wú)站臺(tái)柱雨棚改造工程，其鋼結(jié)構(gòu)雨棚建筑面積為46912m2。該結(jié)構(gòu)體系為單向受力的張弦桁架鋼結(jié)構(gòu)體系，采用張弦桁架作為主梁，柱側(cè)采用鋼管桁架懸挑梁，縱向采用鋼管次桁架作為主檁條，上鋪H型鋼及冷彎薄壁C型鋼次檁條，屋面為壓型鍍鋁鋅鋼板。
徐州火車(chē)站無(wú)站臺(tái)柱雨棚改造工程，其鋼結(jié)構(gòu)雨棚建筑面積為46912m2。該結(jié)構(gòu)體系為單向受力的張弦桁架鋼結(jié)構(gòu)體系，采用張弦桁架作為主梁，柱側(cè)采用鋼管桁架懸挑梁，縱向采用鋼管次桁架作為主檁條，上鋪H型鋼及冷彎薄壁C型鋼次檁條，屋面為壓型鍍鋁鋅鋼板。
圖1 建筑效果圖
建成后的徐州站風(fēng)雨棚，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高架候車(chē)室南北兩側(cè)的全站臺(tái)覆蓋，整體宏偉大氣，極富現(xiàn)代感，為提高鐵路運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)水平提供了良好的硬件設(shè)施。建筑效果圖見(jiàn)圖1。
2. 結(jié)構(gòu)組成
張弦桁架結(jié)構(gòu)是一種由剛性構(gòu)件上弦、柔性拉索、中間連以撐桿形成的混合結(jié)構(gòu)體系。通過(guò)在下弦拉索中施加預(yù)應(yīng)力使上弦壓彎構(gòu)件產(chǎn)生反撓度，使結(jié)構(gòu)在荷載的作用下產(chǎn)生的最終撓度得以減少，撐桿作為對(duì)上弦壓彎構(gòu)件的彈性支撐也改善了結(jié)構(gòu)的受力性能。作為一種新型自平衡結(jié)構(gòu)體系，顯著的減少了結(jié)構(gòu)用鋼量，具有良好的經(jīng)濟(jì)型和美觀性。
結(jié)構(gòu)平面、剖面圖分別見(jiàn)圖2、圖3。
2. 結(jié)構(gòu)組成
張弦桁架結(jié)構(gòu)是一種由剛性構(gòu)件上弦、柔性拉索、中間連以撐桿形成的混合結(jié)構(gòu)體系。通過(guò)在下弦拉索中施加預(yù)應(yīng)力使上弦壓彎構(gòu)件產(chǎn)生反撓度，使結(jié)構(gòu)在荷載的作用下產(chǎn)生的最終撓度得以減少，撐桿作為對(duì)上弦壓彎構(gòu)件的彈性支撐也改善了結(jié)構(gòu)的受力性能。作為一種新型自平衡結(jié)構(gòu)體系，顯著的減少了結(jié)構(gòu)用鋼量，具有良好的經(jīng)濟(jì)型和美觀性。
結(jié)構(gòu)平面、剖面圖分別見(jiàn)圖2、圖3。
圖2 結(jié)構(gòu)平面示意圖
圖3 結(jié)構(gòu)剖面示意圖
2.1 鋼管桁架梁
鋼管桁架梁斷面見(jiàn)圖4。鋼管桁架梁為倒置正三角形，桁架上弦矢高為3m，下弦矢高5m，桁架寬2m，根部高度3.5m，跨中高度1.5m；上弦桿截面為φ273X12，下弦桿截面在跨中為φ299X16，兩側(cè)為φ299X14，腹桿為φ102X5、φ133X8、φ159X10，桁架弦桿與腹桿間為相貫焊縫連接。
2.2 撐桿
撐桿截面為φ159X10，撐桿上端與桁架下弦桿通過(guò)銷(xiāo)軸連接，下端通過(guò)鑄鋼球與拉索鉸接連接。
2.3 拉索
張弦桁架拉索選用φ5X199高強(qiáng)度低松弛鍍鋅半平行鋼絲束，拉索截面面積為3907mm2，拉索抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1670MPa，拉索錨具采用冷鑄錨，拉索穿過(guò)下弦后通過(guò)三分節(jié)點(diǎn)分出兩根高強(qiáng)度鋼拉桿，最終鋼拉桿鉸接于上弦桿和柱交接部位，將拉索預(yù)應(yīng)力平均分配到兩根上弦桿上，拉索與下弦相交部位采用鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)，保證索與下弦桿之間無(wú)直接接觸。實(shí)際節(jié)點(diǎn)照片見(jiàn)圖5。
圖4 鋼管桁架梁斷面 圖5 鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)
2.4 柱側(cè)懸挑桁架
柱側(cè)懸挑桁架為倒放正三角形桁架，上弦桿及下弦桿截面均為φ273X12，腹桿為φ102X5、φ133X8、φ159X10，桁架弦桿與腹桿間為相貫焊縫連接。
2.5 鋼柱
鋼柱由兩根φ500X22的鋼管混凝土柱組成，兩根柱沿線路方向布置，柱間有φ219X10鋼管腹桿連接組成格構(gòu)柱，使得在平面外形成較大剛度，抵抗結(jié)構(gòu)側(cè)向水平力。為了彌補(bǔ)柱外形受限造成的強(qiáng)度不足及平面內(nèi)抗彎能力弱的現(xiàn)狀，在鋼管柱內(nèi)設(shè)鋼套管，改善鋼管性能，同時(shí)解決排水管通道問(wèn)題，鋼管柱內(nèi)灌注C60高強(qiáng)度微膨脹混凝土。為了解決懸挑部分在正常使用過(guò)程中的向下?lián)隙群惋L(fēng)吸力作用下的向上撓度問(wèn)題，在每組柱兩側(cè)設(shè)置剛性拉桿，通過(guò)柱頂使得懸挑部分和中間桁架的內(nèi)力得以部分平衡。
2.6 鋼管次桁架（次梁）
風(fēng)雨棚縱向采用倒放正三角形鋼管次桁架作為次梁，間距約6m，次桁架弦桿截面為φ133X6，腹桿為φ50X3。次桁架連續(xù)布置，上弦桿與張弦桁架主梁相貫連接。次桁架斷面見(jiàn)圖6。
2.7 H型鋼鋼梁、水平支撐及C型鋼檁條
次桁架上弦上鋪H300X200X4.5X8鋼梁，間距4m，H型鋼鋼梁連續(xù)鋪設(shè)，強(qiáng)度得到充分利用，撓度也得到較好的控制，同時(shí)用鋼量較經(jīng)濟(jì)。
H型鋼鋼梁上鋪冷彎薄壁型鋼C200X60X20X3檁條，檁條兼做建筑吊頂主龍骨，間距1.5m。屋面水平支撐采用張緊φ20mm圓鋼。
雨棚鋼結(jié)構(gòu)C型鋼檁條材質(zhì)為Q235B，其它鋼材材質(zhì)為Q345B，鑄鋼件材質(zhì)選用德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《高焊接性能和韌性的通用鑄鋼件》(DIN17182-1992)中的GS-20Mn5（調(diào)質(zhì)）鋼材。
柱側(cè)懸挑桁架為倒放正三角形桁架，上弦桿及下弦桿截面均為φ273X12，腹桿為φ102X5、φ133X8、φ159X10，桁架弦桿與腹桿間為相貫焊縫連接。
2.5 鋼柱
鋼柱由兩根φ500X22的鋼管混凝土柱組成，兩根柱沿線路方向布置，柱間有φ219X10鋼管腹桿連接組成格構(gòu)柱，使得在平面外形成較大剛度，抵抗結(jié)構(gòu)側(cè)向水平力。為了彌補(bǔ)柱外形受限造成的強(qiáng)度不足及平面內(nèi)抗彎能力弱的現(xiàn)狀，在鋼管柱內(nèi)設(shè)鋼套管，改善鋼管性能，同時(shí)解決排水管通道問(wèn)題，鋼管柱內(nèi)灌注C60高強(qiáng)度微膨脹混凝土。為了解決懸挑部分在正常使用過(guò)程中的向下?lián)隙群惋L(fēng)吸力作用下的向上撓度問(wèn)題，在每組柱兩側(cè)設(shè)置剛性拉桿，通過(guò)柱頂使得懸挑部分和中間桁架的內(nèi)力得以部分平衡。
2.6 鋼管次桁架（次梁）
風(fēng)雨棚縱向采用倒放正三角形鋼管次桁架作為次梁，間距約6m，次桁架弦桿截面為φ133X6，腹桿為φ50X3。次桁架連續(xù)布置，上弦桿與張弦桁架主梁相貫連接。次桁架斷面見(jiàn)圖6。
2.7 H型鋼鋼梁、水平支撐及C型鋼檁條
次桁架上弦上鋪H300X200X4.5X8鋼梁，間距4m，H型鋼鋼梁連續(xù)鋪設(shè)，強(qiáng)度得到充分利用，撓度也得到較好的控制，同時(shí)用鋼量較經(jīng)濟(jì)。
H型鋼鋼梁上鋪冷彎薄壁型鋼C200X60X20X3檁條，檁條兼做建筑吊頂主龍骨，間距1.5m。屋面水平支撐采用張緊φ20mm圓鋼。
雨棚鋼結(jié)構(gòu)C型鋼檁條材質(zhì)為Q235B，其它鋼材材質(zhì)為Q345B，鑄鋼件材質(zhì)選用德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《高焊接性能和韌性的通用鑄鋼件》(DIN17182-1992)中的GS-20Mn5（調(diào)質(zhì)）鋼材。
圖6 次桁架斷面
3. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
- 張弦梁由下弦索、上弦梁和豎向腹桿組成，索為受拉、桿為受壓的二力桿，上弦梁為壓彎桿件；
- 通過(guò)拉索的張拉力，使豎腹桿產(chǎn)生向上的分力，導(dǎo)致上弦梁產(chǎn)生與外荷載作用下相反的內(nèi)力和變位，以形成整個(gè)張弦梁結(jié)構(gòu)及提高結(jié)構(gòu)剛度，通常情況下下弦索為一向下的折線多邊形；
- 在預(yù)應(yīng)力及外荷載作用下(指自重等屋面荷載作用下)形成自平衡體系,不產(chǎn)生水平推力；
- 上弦梁為立體桁架,此時(shí)張弦梁便成為帶拉索的桿系張弦立體桁架，可使結(jié)構(gòu)計(jì)算及構(gòu)造得到簡(jiǎn)化；
4.1 技術(shù)準(zhǔn)備
4.1.1 制定完善的改造設(shè)計(jì)
改造設(shè)計(jì)是為預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工做技術(shù)準(zhǔn)備，設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是制索、掛索和預(yù)應(yīng)力鋼索張拉。
4.1.2 確定預(yù)應(yīng)力施加過(guò)程的順序
對(duì)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力應(yīng)使預(yù)應(yīng)力能夠分布到整個(gè)結(jié)構(gòu)，達(dá)到預(yù)應(yīng)力的目的。在施加預(yù)應(yīng)力過(guò)程中必須和設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力施加過(guò)程一致，對(duì)實(shí)際施加預(yù)應(yīng)力過(guò)程按照幾何非線性進(jìn)行分析，確定預(yù)應(yīng)力過(guò)程的次序、步驟、采用的機(jī)械設(shè)備、每次張拉量值，控制結(jié)構(gòu)的形狀變化以適應(yīng)預(yù)應(yīng)力分布相匹配。
4.1.3 確定監(jiān)控指標(biāo)和參數(shù)
在每一階段預(yù)應(yīng)力施加過(guò)程中，結(jié)構(gòu)加固改造需要一個(gè)自適應(yīng)的過(guò)程，經(jīng)過(guò)自平衡而使應(yīng)力重新分布，形狀隨之改變，必須確定監(jiān)控的指標(biāo)和參數(shù)，加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力施加過(guò)程中的監(jiān)控，保證結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)和設(shè)計(jì)相符，確保施工安全。
4.1.4 控制其他荷載施加
結(jié)構(gòu)屋面荷載、懸掛荷載等其他荷載的施加應(yīng)均勻、對(duì)稱、勻速，避免出現(xiàn)過(guò)大的集中荷載。
4.2 技術(shù)措施
4.2.1 材料的加工、運(yùn)輸和存儲(chǔ)
- 1.按照施工圖紙?jiān)趯I(yè)預(yù)應(yīng)力鋼索廠下料。下料時(shí)應(yīng)在每根預(yù)應(yīng)力鋼索的每個(gè)張拉端預(yù)留張拉長(zhǎng)度，使用砂輪切割機(jī)切割，嚴(yán)禁使用電焊和氣焊。
- 2.預(yù)應(yīng)力鋼索及配件在運(yùn)輸、吊裝過(guò)程中避免碰撞和擠壓。
- 3.預(yù)應(yīng)力鋼索及配件在鋪放使用前，應(yīng)保存在干燥平整的地方，其下設(shè)置墊木、上面采取防雨措施，避免材料銹蝕。
- 4.禁止砸壓和接觸電氣焊作業(yè)，避免受到損傷。
4.2.2.1 調(diào)直和下料
為了使鋼索受荷后各根鋼絲或各股鋼絞線受力均勻，鋼索的制作時(shí)下料長(zhǎng)度必須嚴(yán)格控制，達(dá)到準(zhǔn)確、等長(zhǎng)；采用“應(yīng)力下料法”將開(kāi)盤(pán)在200-300MPa拉應(yīng)力下的鋼絲或鋼絞線調(diào)直，可消除一些非彈性因素的影響。鋼絲或鋼絞線的號(hào)料應(yīng)嚴(yán)格控制，制作通長(zhǎng)、水平且與索等長(zhǎng)的槽道，平行放入鋼索或鋼絞線，使其不相互交叉、扭曲，在槽道定位板處控制索的下料長(zhǎng)度。
4.2.2.2 切割和編束
鋼索切割采用切割機(jī)切割，嚴(yán)禁采用電弧切割或用氣割，以防損傷鋼絲。
編束應(yīng)采用梳孔板向一方向梳理，同時(shí)編扎，每隔1m左右用細(xì)鋼絲編排扎緊，不讓鋼絲在束中交互扭壓。編扎成束后形成圓形截面，每隔1m左右再用鐵絲扎緊。
4.2.2.3 預(yù)張拉
通過(guò)預(yù)張拉可以消除索的非彈性變形，保證在使用時(shí)的彈性工作。預(yù)張拉在工廠內(nèi)進(jìn)行，選取鋼絲極限拉力的50-55%為預(yù)張力，持荷時(shí)間為0.5-2h。
4.2.2.4 鋼索的防護(hù)
鋼索在防護(hù)前對(duì)表面處理，認(rèn)真除污。防護(hù)方法有：黃油裹布、塑料涂層、多層液體氯丁橡膠防護(hù)、表面油漆、鋼索用套管、內(nèi)灌液體氯丁橡膠、將環(huán)氧樹(shù)脂粉末噴于鋼絲上再熱熔、固化形成、外加PE套管等。
4.3 預(yù)應(yīng)力鋼索張拉
4.3.1 張拉設(shè)備
選用相應(yīng)的千斤頂和配套油泵，并根據(jù)設(shè)計(jì)和預(yù)應(yīng)力工藝要求的實(shí)際張拉力對(duì)千斤頂和油泵進(jìn)行標(biāo)定，在實(shí)際張拉時(shí)根據(jù)標(biāo)定曲線找到控制張拉力值相對(duì)應(yīng)的值，并將其打在相應(yīng)的泵頂標(biāo)牌上，以方便操作和查驗(yàn)。
4.3.2 張拉工裝
本工程張弦梁下弦拉索規(guī)格為Φ5*199，鋼拉桿為D80，鋼拉桿端頭可進(jìn)行微調(diào)，安裝拉索時(shí)將一端螺母旋至中間位置，采用張拉另一端拉索索頭的方式施加預(yù)應(yīng)力，拉索為兩端錨具為冷鑄錨。
在設(shè)備安裝時(shí)必須注意使張拉設(shè)備形心和鋼索重合，保證鋼索在張拉過(guò)程中不產(chǎn)生偏心受力。
4.3.3 張拉控制
根據(jù)設(shè)計(jì)要求的預(yù)應(yīng)力鋼索張拉控制應(yīng)力取值。
油泵啟動(dòng)供油正常后開(kāi)始加壓，當(dāng)壓力達(dá)到鋼索設(shè)計(jì)拉力時(shí)，超張拉5%左右，停止加壓，完成預(yù)應(yīng)力鋼索張拉。
控制張拉時(shí)的給油速度，給油時(shí)間不低于0.5min。
4.3.4 測(cè)量與監(jiān)控
為保證預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度和結(jié)構(gòu)在施工期間的安全，并使張拉完成后的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)與設(shè)計(jì)相符合，必須對(duì)張拉過(guò)程中索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的整體變形、鋼索的拉力和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
4.3.4.1 變形監(jiān)測(cè)
通過(guò)全站儀對(duì)每榀張拉桁架的上弦主管的跨中位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以了解結(jié)構(gòu)的整體變形情況，以保證預(yù)應(yīng)力施工期間結(jié)構(gòu)的安全和預(yù)應(yīng)力施加的質(zhì)量。
4.3.4.2 索力監(jiān)測(cè)
通過(guò)安裝在液壓千斤頂油泵上的油壓傳感器讀數(shù)儀，對(duì)張拉過(guò)程中預(yù)應(yīng)力鋼索拉力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證預(yù)應(yīng)力鋼索施工完成后的應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
4.3.4.3 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)
本工程采用振弦式應(yīng)變計(jì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在第2、5、13、17和20軸桁架上布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
4.4 張拉技術(shù)參數(shù)
索按設(shè)計(jì)圖紙中的軸線進(jìn)行編號(hào)，索的張拉力作為預(yù)應(yīng)力鋼索施工記錄，其中索力偏差按10%取值，施工時(shí)實(shí)際索力見(jiàn)表1。
表1 實(shí)際施工時(shí)索力控制表
| 編號(hào) | 軸線 | 索長(zhǎng)mm | 最終張拉力kN |
| LS1 | ① | 55607 | 475+48 |
| LS2 | ② | 58696 | 645+65 |
| LS3 | ③ | 60823 | 718+72 |
| LS4 | ④ | 61980 | 785+79 |
| LS5 | ⑤ | 62135 | 588+59 |
| LS6 | ⑥ | 62135 | 844+84 |
| LS7 | ⑦ | 62135 | 619+62 |
| LS8 | ⑧ | 62135 | 629+63 |
| LS9 | ⑨ | 62135 | 826+82 |
| LS10 | ⑩ | 62135 | 762+76 |
| LS11 | 11 | 62135 | 792+79 |
| LS12 | 12 | 62135 | 788+79 |
| LS13 | 13 | 62135 | 787+79 |
| LS14 | 14 | 62135 | 794+79 |
| LS15 | 15 | 62135 | 762+76 |
| LS16 | 16 | 62135 | 657+66 |
| LS17 | 17 | 62041 | 812+81 |
| LS18 | 18 | 61013 | 754+75 |
| LS19 | 19 | 59030 | 684+68 |
| LS20 | 20 | 56135 | 496+50 |
5. 結(jié)束語(yǔ)
徐州火車(chē)站無(wú)柱風(fēng)雨棚預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程已完工并投入使用。在施工過(guò)程中根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，確定了預(yù)應(yīng)力懸索施工作為施工控制的關(guān)鍵點(diǎn)，制定了有針對(duì)性的施工方案，并在鋼結(jié)構(gòu)安裝和預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中進(jìn)行了模擬計(jì)算，詳細(xì)了解了結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中所經(jīng)歷的變形和應(yīng)力分布，順利實(shí)現(xiàn)了安全、質(zhì)量、工期等控制目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
- 趙建強(qiáng). 濟(jì)南站大跨度鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 鐵路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006（7）
- GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]
- GB50205-2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S]
滬公網(wǎng)安備 31011002002576號(hào)