建筑技术丨异形钢结构体系上跨营业线整体顶推施工安全性分析

1 工程概况

江西庐山二期站改扩建项目工程包括东站房、既有庐山站站内的1~3站台及跨线高架站房和天桥，楼面桁架、换乘通廊与天桥组成的钢结构采用场外拼装与整体顶推施工工艺进行建设。

上部顶推钢结构总宽176 m，结构+导梁总长90 m，总重4 300 t；站场规模为8台25线，采用“上进上出”式旅客流线，原钢结构方案“棚架+吊装”，跨越10条铁路线，其中6条正线不停车，需大量天窗点施工，安全风险极大。

（1）建设过程共包括3次顶推、2次落梁和1次精调。

1）第1次顶推距离26 m，跨越昌九城际场4条铁路线，导梁落位二站台临时墩并进行后续拼装。

2）第2次顶推距离34.5 m，跨越京九、武九6条铁路线，导梁落位三站台临时墩。

3）第3次顶推距离19.3 m，结构到达设计对应空间位置。

（2）顶推施工难点包括：1）如此大体量和规模的跨线结构顶推整体在国内可借鉴经验有限；2）天桥、连廊和高架站房组成的3种不同体系结构，在整体顶推施工过程中的体系受力转换及变形控制难度巨大，传统保障措施和纠偏措施需要进一步创新；3）新老结构交接部位对接精度要求极高。

2 施工方案

（1）首次拼装：第1次顶推单元在组拼胎架上分段组拼完成、验收。包括导梁第1次顶推单元结构拼装长度56.3 m。

（2）试推：在场外进行试顶推5 m。第1次试推2 m（排查顶推工况）；第2次试推3 m，结构距离硬隔离1.3 m。共行走10个行程，速度为10 m/h。

（3）第1次顶推：第1次正式顶推26 m，前端导梁落位二站台临时墩，液压顶推器行走52个行程，速度10 m/h。无限接近临时墩时天桥导梁下挠为374 mm，桁架结构导梁下挠192 mm，第1个顶推天窗点总用时240 min，拆除滑靴1组10个。

（4）钢结构二次拼装：第1次顶推完成后，第2次顶推单元在组拼胎架上进行组拼，与第1次顶推单元连接成整体，拼装长度33.7 m，总长度90 m。

（5）第2次顶推。步骤1：第2次正式顶推34.5 m，先顶推16.5 m进行二站台措施拆除工况转换，行走33个行程，速度10 m/h，第2次顶推用时480 min，措施架体拆除10个，高度为4.2 m，重量3.2 t。步骤2：继续顶推18 m，导梁搭上三站台结构上方固定滑靴上，行走36个行程，速度10 m/h。无限接近临时墩时天桥导梁下挠为374 mm，桁架结构导梁下挠217 mm，第2次顶推拆除滑靴6组60个，拆除格构架10个。此阶段桁架结构挠度100 mm，顶推过程中距离硬横跨结构400 mm。

（6）第3次顶推：第3次顶推19.3 m至设计位置上方，顶推完成。液压顶推器共行走39个行程，速度10 m/h，第3次顶推用时300 min，拆除滑靴3组30个。

3 顶推过程安全性分析

3.1 模型建立

顶推结构由天桥、换乘通廊和楼面桁架等3种不同钢结构体系共同组成，在整体顶推施工过程中的体系受力转换及变形控制难度较大，因此，需要对3次整体顶推过程进行数值模拟，分析关键位置节点的竖向位移在顶推过程中的变化规律，研究在自重作用下钢结构主要受力杆件在3次顶推完成后的内力变化规律，为顶推过程位移控制和施工监控值提供依据。

使用midas Gen分析软件建立上部异形钢结构模型，3次顶推关键阶段包括：顶推开始、滑靴滑落与顶推结束。

依据实际顶推过程，结合导梁布置与临时支撑上方滑移油缸布置情况，选择导梁前端10个节点、天桥与楼面桁架前端下侧全部27个节点等关键位置节点进行分析，节点编号如下。

（1）导梁前端：27、170、706、1 000、1 570、2 102、2 670、2 966、3 550、3 693共10个节点。

（2）天桥与楼面桁架前端：1、206、303、526、728、873、1 022、1 135、1 234、1 318、1 422、1 592、1 760、1 850、1 954、2 124、2 292、2 382、2 466、2 563、2 692、2 841、2 988、3 152、3 366、3 488、3 729共27个节点。

3.2 关键位置顶推全过程竖向位移分析

模拟钢结构整体顶推过程，3次整体顶推的施工阶段数量分别为31、35和20，共86个施工阶段。提取自重作用下钢结构的导梁前端、天桥与楼面桁架前端等部分关键位置节点的各施工阶段竖向位移Z，并绘制其顶推过程变化曲线，如图1所示。

（a）

（b）

（c）

图1 不同结构体系顶推过程的变化曲线

（a）桁架；（b）天桥导梁；（c）屋面导梁

从图1分析可得到以下结论。

（1）滑靴滑落、导梁与桁架等施工工况的改变等对桁架前端竖向位移的影响较明显，而导梁前端竖向位移则主要受导梁边界条件改变影响；应关注第1次和第3次边界改变前导梁关键位置竖向位移的变化。

（2）导梁落位临时墩、桁架搭上临时墩、导梁搭上三站台等为影响较大的3次边界条件改变，此时，应重点关注桁架关键位置竖向位移的变化情况。

（3）桁架前端竖向位移在前3次滑靴掉落，二站台导梁支撑拆除到导梁落位三站台，第3次顶推阶段增加明显，应对桁架前端竖向位移进行监测，保证顶推施工的安全性。

（4）天桥导梁和屋面导梁的前端竖向位移在第1次滑靴掉落，二站台导梁支撑拆除，二站台导梁支撑拆除后至导梁落位三站台阶段增加明显，应对导梁前端竖向位移进行监测。

3.3 关键位置顶推全过程内力分析

自重作用下上部钢结构主要受力杆件（单元编号为4 435、4 432、8 788、8 907、28 584，图2）在3次顶推完成后的轴力和弯矩见表1。

图2 主要受力杆件及单元编号

表1 主要受力杆件内力

从图2和表1中可知，在自重作用下，异形钢结构在整体顶推过程中，边界条件改变对主要受力杆件的内力变化较为剧烈；应对主要受力杆件的内力进行监测，保障施工安全。

3.4 实测数据与计算数据对比

为验证数值模型的正确性，以第2次顶推结束为例，将实测数据与有限元分析数据进行对比，见表2。

表2 实测数据与有限元分析数据对比

从表2中可得出，关键位置如换乘通廊、导梁等实测数据与有限元分析数据基本一致，说明建立的数值模型的正确性；同时也说明本数值模型的计算结果可为后期的施工过程控制及施工监测控制值。

4 结论

通过midas Gen软件对庐山站改扩建工程中上部顶推结构的3次整体顶推过程进行数值模拟，分析了关键位置节点的位移在顶推过程中的变化规律，得到以下结论。

（1）建立了异形钢结构模型，分析了自重作用下上部钢结构主要受力杆件在3次顶推完成后的内力变化，可为后续施工监控与顶推过程控制值提供依据。

（2）数值分析结果表明，上部钢结构在整体顶推过程中，由于边界条件的改变，主要受力杆件的内力变化较为剧烈；顶推过程中，应对主要受力杆件的内力进行监测，防止结构发生破坏。

（3）通过对数值模型计算值与后期监测的实测值进行对比验证，两者在顶推过程中，杆件实测应力和理论应力值基本一致，数值模型可以较好地反映实际顶推情况。