廣州火車(chē)站鋼結(jié)構(gòu)加工制作施工技術(shù)圖文并茂

新廣州火車(chē)站鋼結(jié)構(gòu)制作與施工技術(shù)江蘇****股份有限公司2009.101建設(shè)地點(diǎn)：廣州市番禺**建筑面積：總建筑面積約36萬(wàn)平方米，大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋投影面積為21萬(wàn)平方米勘察設(shè)計(jì)單位：鐵道部第四勘察設(shè)計(jì)研究院，北京市建筑設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)形式：主體結(jié)構(gòu)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)體系鋼結(jié)構(gòu)制作、施工單位：江蘇****股份有限公司用鋼量：7.9萬(wàn)噸主體鋼結(jié)構(gòu)施工日期：2008年12月～2009年10月

1工程概況23站房與雨棚鋼結(jié)構(gòu)外形效果類(lèi)似層層上揚(yáng)的多片巨大的嶺南芭蕉葉。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)主要包括無(wú)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(wú)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(lèi)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(xiāo)軸連接、栓焊混合連接或鑄鋼與焊接混合的連接方式。

2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)45本工程建筑設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)類(lèi)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(lèi)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(lái)了相當(dāng)?shù)碾y度，主要特點(diǎn)如下：1）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(guò)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，施組設(shè)計(jì)編制要求高。主體鋼屋蓋呈雙曲面，各點(diǎn)標(biāo)高不一、空間定位點(diǎn)多樣。

3鋼結(jié)構(gòu)制作6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。關(guān)鍵的焊接制作工藝措施1）焊接變形控制

選擇與控制合理的焊接順序，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；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；對(duì)厚板、超厚板的施焊工序注意進(jìn)行預(yù)熱溫度的控制工作，采用補(bǔ)償加熱法工藝流程等；反變形措施，反變形量通過(guò)焊縫施焊過(guò)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）焊接裂紋控制焊材化學(xué)成分、焊接工藝參數(shù)、條件的控制，提高根部焊縫質(zhì)量，提高焊縫清根要求；焊縫金屬冷卻速度控制，焊前預(yù)熱、適當(dāng)增大焊接熱輸入、焊后的后熱和緩冷裂；焊后消氫處理以加速氫的擴(kuò)散；

容易發(fā)生層間撕裂的厚板及T型焊接與連接嚴(yán)格施焊工藝的特殊預(yù)防措施。3）殘余應(yīng)力控制與消除減小焊縫尺寸及焊接拘束度；采取合理的焊接順序；補(bǔ)償加熱法，加熱溫度視板厚及母材碳當(dāng)量而定；對(duì)特大型結(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。4）其他機(jī)械措施等

7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)擴(kuò)初設(shè)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：1）構(gòu)件分段易于切分與現(xiàn)場(chǎng)吊裝；2）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；3）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。本工程鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件類(lèi)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(xiāo)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(xiāo)軸鉸結(jié)連接。由于構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)連接類(lèi)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。重要的節(jié)點(diǎn)連接類(lèi)型：

81）索拱與索殼張弦結(jié)構(gòu)索夾節(jié)點(diǎn)GS20Mn5V鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接形式

2）圓形、箱形及長(zhǎng)圓形變截面錐形柱分叉節(jié)點(diǎn)圓形變截面柱截面由φ2600×60過(guò)渡到φ2000×60、長(zhǎng)圓形異面分叉柱截面由φ2000×50過(guò)渡到φ850×50、雙向正交變截面箱形分叉柱（鋼箱截面由BOX2000×50過(guò)渡到BOX900×50）等；截面徑厚比小，材料強(qiáng)度高。

93）柱頂板式加勁剛接節(jié)點(diǎn)

除采用梁柱接頭管件相貫焊的形式外，柱頂與縱向支承桁架連接部位多處采用了縱橫雙向加勁的板式剛接節(jié)點(diǎn)形式。

4）采光帶單層網(wǎng)殼箱梁交匯剛接節(jié)點(diǎn)

單層網(wǎng)殼箱形構(gòu)件，截面主要為BOX600×250×16×20；各箱梁交匯節(jié)點(diǎn)處沿結(jié)構(gòu)整體縱橫坐標(biāo)插板連接預(yù)應(yīng)力不銹鋼棒（D30、D50與D70），間隔23m布置空間索殼張弦結(jié)構(gòu)。105）三向張弦梁及及入口大廳懸挑挑結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)點(diǎn)中央采光帶索殼殼、主站房索拱拱、入口大廳懸懸挑部分等的多多種結(jié)構(gòu)類(lèi)型構(gòu)構(gòu)件匯交處，結(jié)結(jié)構(gòu)過(guò)渡類(lèi)型復(fù)復(fù)雜，采取了極極具特色的空間間三向張弦梁索索拱結(jié)構(gòu)與大挑挑檐索殼結(jié)構(gòu)的的過(guò)渡形式，11對(duì)于本工程這樣樣的大型空間鋼鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工組織設(shè)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，，制定合理的施施工方案并進(jìn)行行準(zhǔn)確的施工過(guò)過(guò)程分析是結(jié)構(gòu)構(gòu)安全施工與順順利成形的根本本保證。根據(jù)主體結(jié)構(gòu)的的施工吊裝工藝藝要求與現(xiàn)場(chǎng)施施工條件，首先先按場(chǎng)地分塊劃劃分圖設(shè)置臨時(shí)時(shí)支撐，采用場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)對(duì)稱(chēng)、分塊塊（結(jié)構(gòu)組成單單元）與分步的的結(jié)構(gòu)施工方案案與吊裝技術(shù)路路線(xiàn)，分塊、逐逐次地進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)支座及主構(gòu)件件的施工；在形成結(jié)構(gòu)受力力骨架主體單元元后，再按要求求進(jìn)行分塊、局局部區(qū)域的拼裝裝，直至結(jié)構(gòu)整整體吊裝完成；；無(wú)站臺(tái)柱雨棚棚與主站房部分分施工相對(duì)獨(dú)立立。屋蓋主體鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)整體施工流程程：4鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程程121314151617181920預(yù)應(yīng)力鋼鋼結(jié)構(gòu)施施工無(wú)站臺(tái)柱柱雨棚屋屋蓋索拱拱及主站站房索拱拱與索殼殼結(jié)構(gòu)的的高跨比比約為1/8～1/7，最大跨跨度89m，間隔16m布置（中中央采光光帶單榀榀索殼結(jié)結(jié)構(gòu)間隔隔23m），為有有效抵抗抗屋蓋拱拱結(jié)構(gòu)豎豎向荷載載作用下下產(chǎn)生的的極大水水平推力力、提高高拱身結(jié)結(jié)構(gòu)的剛剛度和穩(wěn)穩(wěn)定性，，在拱架架下方布布置了預(yù)預(yù)應(yīng)力拉拉索，要要求索拱拱（殼））在屋面面恒載作作用下的的拱腳支支座反力力為零，，從而使使屋面結(jié)結(jié)構(gòu)支承承桁架與與承重結(jié)結(jié)構(gòu)柱的的受力狀狀況得以以極大的的改善。。索拱、索索殼連同同結(jié)構(gòu)縱縱向連續(xù)續(xù)布置的的梯形、、倒三角角形與月月牙形支支承桁架架及其承承重柱一一起，構(gòu)構(gòu)成了索索拱與索索殼張弦弦組合結(jié)結(jié)構(gòu)的空空間整體體受力體體系。主站房屋屋蓋殼體體的網(wǎng)格格為空間間弧線(xiàn)，，構(gòu)件為為扭轉(zhuǎn)箱箱梁，通通過(guò)相互互旋轉(zhuǎn)形形成殼體體，矩形形鋼管的的長(zhǎng)軸一一直平行行于殼體體表面的的法向方方向，結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件件的加工工難度很很大。拉索預(yù)應(yīng)應(yīng)力是基基于結(jié)構(gòu)構(gòu)自重、、屋面恒恒載作用用下建立立起來(lái)的的，成形形后索（（拱）殼殼的支座座水平反反力要為為零，而而其幾何何形狀、、尺寸也也正好應(yīng)應(yīng)與周邊邊的構(gòu)件件銜接在在一起，，相應(yīng)的的施工難難度很大大。為此此，需要要根據(jù)構(gòu)構(gòu)件的空空間幾何何形狀、、角度、、長(zhǎng)度等等要求準(zhǔn)準(zhǔn)確下料料并考慮慮荷載對(duì)對(duì)構(gòu)件幾幾何位形形的影響響在索拱拱與索殼殼結(jié)構(gòu)施施工的各各個(gè)階段段對(duì)其進(jìn)進(jìn)行受力力分析，，否則就就無(wú)法實(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)計(jì)狀狀態(tài)與要要求；預(yù)預(yù)應(yīng)力鋼鋼結(jié)構(gòu)的的張拉施施工是本本工程鋼鋼結(jié)構(gòu)施施工的重重點(diǎn)所在在。21預(yù)應(yīng)力鋼鋼結(jié)構(gòu)施施工質(zhì)量量控制措措施：1）嚴(yán)格控控制制索索精度；；2）規(guī)定預(yù)預(yù)應(yīng)力施施加過(guò)程程的速率率，保證證結(jié)構(gòu)經(jīng)經(jīng)歷一個(gè)個(gè)平穩(wěn)自自適應(yīng)的的過(guò)程；；3）確定預(yù)預(yù)應(yīng)力施施工順序序，確保保結(jié)構(gòu)盡盡可能均均勻、對(duì)對(duì)稱(chēng)、勻勻速地施施工，避避免出現(xiàn)現(xiàn)過(guò)大的的局部集集中荷載載效應(yīng)并并使預(yù)應(yīng)應(yīng)力分布布到整個(gè)個(gè)結(jié)構(gòu)；；4）對(duì)鋼結(jié)結(jié)構(gòu)的變變形、應(yīng)應(yīng)力和預(yù)預(yù)應(yīng)力鋼鋼索的受受力狀況況進(jìn)行實(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)，保證證結(jié)構(gòu)的的初始狀狀態(tài)與原原設(shè)計(jì)相相符。現(xiàn)場(chǎng)預(yù)應(yīng)應(yīng)力鋼結(jié)結(jié)構(gòu)施工工：將屋蓋鋼鋼結(jié)構(gòu)劃劃分為8個(gè)安裝分分區(qū)，預(yù)預(yù)應(yīng)力張張拉施工工流程如如下：1）每榀索索拱桁架架在地面面拼裝完完成后進(jìn)進(jìn)行初張張拉，張張拉力根根據(jù)計(jì)算算確定，，應(yīng)保證證結(jié)構(gòu)起起吊剛度度及索拱拱支座間間相對(duì)距距離要求求；2）將桁架架吊裝至至鋼柱定定位后，，B、D-1和D-2區(qū)拉索張張拉時(shí)結(jié)結(jié)構(gòu)互相相不影響響，可隨隨著安裝裝逐步進(jìn)進(jìn)行拉索索張拉到到位；3）對(duì)于A-1、A-2、C-1、C-2和E區(qū)，由于于沿拉索索軸線(xiàn)跨跨度方向向受力與與變形互互相影響響很大，，需要在在一個(gè)分分區(qū)全部部完成后后，最終終張拉到到設(shè)計(jì)索索力；4）全部屋屋面安裝裝完成后后，對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)變形形進(jìn)行檢檢測(cè)，對(duì)對(duì)個(gè)別誤誤差較大大的索桁桁架進(jìn)行行張拉微微調(diào)。222324255鋼結(jié)構(gòu)施工全過(guò)程程數(shù)值分析265鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程數(shù)數(shù)值分析有限元數(shù)值模擬方方法施工全過(guò)程數(shù)值分分析法是在結(jié)構(gòu)整整體建模的基礎(chǔ)上上，采用單元生死死和多荷載步連續(xù)續(xù)分析技術(shù)來(lái)模擬擬結(jié)構(gòu)整個(gè)施工過(guò)過(guò)程的計(jì)算方法。。本工程屋蓋鋼結(jié)結(jié)構(gòu)施工吊裝全過(guò)過(guò)程數(shù)值分析采用用有限元軟件MIDASGENV7.1.2進(jìn)行。結(jié)構(gòu)整體計(jì)計(jì)算模型中（包括括支撐體系），支支撐弦桿與地面鉸鉸接，支撐與主體體結(jié)構(gòu)的施工連接接處通過(guò)剛性連接接耦合其豎向位移移約束。由于分析析過(guò)程中考慮了荷荷載工況的施加順順序與成形過(guò)程中中結(jié)構(gòu)受力與變形形的累積效應(yīng)，各各施工步對(duì)應(yīng)于現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的安裝過(guò)過(guò)程，所進(jìn)行的有有限元計(jì)算實(shí)際上上是對(duì)施工各階段段主結(jié)構(gòu)與支撐體體系之間相互作用用與影響的非線(xiàn)性性過(guò)程的考察，比比通常單獨(dú)、孤立立的結(jié)構(gòu)施工分階階段數(shù)值分析更能能真實(shí)模擬實(shí)際結(jié)結(jié)構(gòu)的施工情形，，得到的各階段結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形及及支撐反力等數(shù)據(jù)據(jù)結(jié)果能更有效地地指導(dǎo)實(shí)際結(jié)構(gòu)的的施工。27結(jié)構(gòu)施工過(guò)程數(shù)值值分析根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)施工方方案，分別對(duì)主站站房、無(wú)站臺(tái)柱雨雨棚進(jìn)行施工全過(guò)過(guò)程數(shù)值分析，從從安裝胎架支撐開(kāi)開(kāi)始，直至整體結(jié)結(jié)構(gòu)分步、分塊依依次吊裝施工完成成，分別采用19、16個(gè)施工步進(jìn)行，每每一施工步主結(jié)構(gòu)構(gòu)與支撐系統(tǒng)的受受力與變形分析都都基于上一施工步步結(jié)構(gòu)分析狀態(tài)之之上。通過(guò)施工全全過(guò)程數(shù)值分析，，細(xì)致地了解施工工各階段結(jié)構(gòu)的受受力與變形狀況，，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工過(guò)過(guò)程進(jìn)行及時(shí)跟蹤蹤與掌控，取得了了整個(gè)施工過(guò)程中中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變變形、支撐系統(tǒng)反反力等重要控制指指標(biāo)變化較為均勻勻、緩和并始終處處于預(yù)控合理范圍圍的良好的技術(shù)經(jīng)經(jīng)濟(jì)效果。典型工況結(jié)構(gòu)施工工過(guò)程的數(shù)值分析析結(jié)果282930313233343536373839圖11第2級(jí)均勻卸載5mm后的構(gòu)件應(yīng)力比(最大0.18)與支撐反力（kN）404142無(wú)站臺(tái)柱雨棚屋蓋蓋鋼結(jié)構(gòu)施工全過(guò)過(guò)程有限元數(shù)值分分析結(jié)果可知，在在整個(gè)施工過(guò)程中中，隨著各部分結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的順序安安裝，結(jié)構(gòu)反力逐逐步增大，胎架弦弦桿最大豎向反力力578kN（第16施工步），支座最最大豎向反力Fz=5361kN（Fx=57kN,Fy=268kN，第16施工步）。整個(gè)施施工過(guò)程中，胎架架支撐的最大應(yīng)力力180N/mm2(局部范圍)＜210N/mm2，發(fā)生于支撐頂部部豎桿部位(第16施工步)；主構(gòu)件最大應(yīng)力力117N/mm2＜310N/mm2，發(fā)生于索拱端部部水平桿（第11施工步）；主結(jié)構(gòu)構(gòu)拉索最大內(nèi)力1348kN＜Fu/K=6132/3=2044kN（第15施工步），均滿(mǎn)足足要求。在無(wú)站臺(tái)柱雨棚施施工過(guò)程中，胎架架支撐水平位移較較?。▁向最大13mm，y向最大26mm），主要發(fā)生在格格構(gòu)柱頂部位，滿(mǎn)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；但但鑒于該胎架頂部部水平撐桿部位計(jì)計(jì)算應(yīng)力較大，且且最大豎向位移也也發(fā)生在此處，在在設(shè)計(jì)支撐截面時(shí)時(shí)予以適當(dāng)加大，，保證其不成為控控制胎架受力的主主要因素。由于施施工過(guò)程分析考慮慮了結(jié)