建筑技术丨大跨度多曲面异形钢桁架整体提升与吊装相结合施工技术

1 工程概况

长沙高铁西站位于湖南湘江新区，总建筑面积约40.1万m²，车站规模12台22线。屋盖结构采用正交空间管桁架结构+实腹钢梁结构体系，在北入站口位置结合独特的水波造型布置实腹式主次梁结构。

整个屋盖体系由横向24榀主桁架、72次桁架、封边桁架、次梁和屋面支撑、隅撑、北立面幕墙结构、室内钢柱等几个分体系构成。最大跨度为72 m，最高点标高为48.000 m，整体钢结构包含约75 000个杆件。

主桁架沿东西方向、南北方向均有布置，为倒三角管桁架，桁架顶部标高根据屋面造型的不同而不同，两榀桁架间间距最大为24.0 m，典型桁架间距为22.0 m、22.8 m，桁架高度为4.0~4.2 m。次桁架垂直于横向主桁架布置，为平面桁架。封边桁架沿屋盖周边布置，为四管桁架（图1）。

图1 屋盖桁架组成示意

屋盖下部支撑由圆钢管柱、立面斜柱、分叉柱及格构柱组成，呈十字形双向正交布置。东西方向，柱间距最大为72.0 m，最小为18.4 m；南北方向，柱间距最大为48.0 m，柱间距最小为22.0 m。

2 施工难点

本工程站房屋盖结构设计复杂，造型多样，节点较多，施工难度大，主要体现在以下几个方面：一是大面积、大跨度和多曲面、造型复杂的结构设计体系；二是长沙西站南侧为既有线路，邻近既有线区域施工条件复杂，作业条件限制较多；三是钢屋盖体量大、构件截面尺寸大，单位延米重量大，结构层较高，采用传统的吊装方式无法保证桁架对接的安装精度；四是桁架连接节点包括箱形次梁与桁架连接节点、主次桁架插板节点、多管相贯球形节点、变截面节点、主桁架与柱连接节点、主桁架与分叉柱连接节点，桁架连接节点种类多，涉及范围广，安装难度大。

3 施工总体部署

本工程钢结构根据铁路两次转线和结构特点划分为北站房屋盖施工区域、中区屋盖施工区域、中区既有线屋盖施工区域和南站房屋盖施工区域（图2）。四大区域施工顺序：北站房+中区、中区既有线区域、南站房区域，相互之间独立施工，互不影响。

图2 总体施工分区示意

根据屋盖的结构特点及总体施工部署，屋盖钢结构主要分为，A区、B区、C区、D区4大提升区，如图3所示，各区共分为26个提升小区，采用楼板拼装+累计提升的方式进行安装。根据钢屋盖特点和建筑结构分布情况，屋盖桁架在9.7 m楼板上分块原位拼装，从高到低，由里到外，从钢柱位置将桁架断开，分区进行累积提升。提升顺序按照设计标高从高到低，将整个桁架提升到设计位置上。待吊装补档结构与屋盖柱之间的嵌补结构完成连接后，用提升器进行卸载，将载荷转移到屋盖柱上，完成整个屋盖结构施工。

图3 屋盖分区示意

（1）将北站房整体分成提升区和补档区两个大区，其中提升区分成A1和A2两个区进行累计提升。

（2）将中区提升区分为7个小区进行累计提升，施工顺序按照B1~B7。

（3）将中区既有线提升区分成9个小分区进行累积提升，施工顺序按照C1~C3。

（4）将南站房提升区分成8个小分区进行累积提升，累计提升施工顺序按照D1~D3进行。

（5）部分区域由于高差较大，造型各异，采取设置支撑高空吊装的安装方法。

4 汽车起重机行走、吊装楼面符合

钢柱吊装和屋盖桁架拼装采用80 t/50 t汽车式起重机在楼面上进行，50 t/80 t汽车式起重机上楼面，采用300 t/220 t汽车式起重机进行吊装，为保证起重机在楼板工作及行驶状态下对楼板无损伤，根据施工作业条件及楼板厚度等，采用midas Gen有限元软件，对汽车式起重机行走、吊装进行楼面验算，验算模型如图4所示。

图4 汽车起重机作用区域模型示意

起重机吊装时，需将钢托座支设在混凝土梁上，对于钢托座不能支设在混凝土梁上的情况，现场采用分配钢梁支设在两根混凝土梁上。经计算可知，采用箱形450 mm×450 mm×8 mm×14 mm，Q 355进行支设验算，验算模型如图5所示。最大位移=14.4 mm<6 710/400，满足规范要求。为保证荷载能全部传递至混凝土梁上，分配梁两端应垫起20 mm以上。

图5 分配梁计算模型示意

汽车起重机最大钢托座反力293 kN作用于梁跨中，1 400 mm×500 mm以上框架梁可用于吊装钢托座，板200 mm厚度可以用于行车，150 mm厚度的楼板行走需铺设路基箱。

5 屋盖模拟验算

5.1 提升支架验算

提升支架共分为临一类、临二类两类。临一类主要是利用原结构钢柱进行设置，共有两种，主要由提升梁、分配梁、立柱及钢托座组成，提升梁截面为箱形500 mm×400 mm×30 mm×30 mm，立柱截面为P 245×16 mm，缀杆截面为P 114×5 mm，材质均为Q355B。

临二类提升支架主要由主肢、提升梁、分配梁、连系梁、连系桁架及底座分配梁组成，主肢采用609×10圆管，连系桁架采用203×8圆管，提升梁及分配梁采用H 488 mm×300 mm×12 mm×20 mm双拼使用临一类经计算柱顶最大水平位移约13 mm<23 680/1 000=23.68 mm，且不大于25 mm，提升梁端部下挠约3.5 mm<1250/200=6.25 mm，杆件最大应力比约0.525<0.9，满足施工要求。

临二类最大水平位移约为91 mm<3 3000/120=275 mm，提升梁端部下挠约8.4 mm<5 400/400=13.5 mm，杆件最大应力比约0.77<0.9，可以满足要求。

提升吊点使用Solidworks软件建立模型，利用ANSYS Workbench进行有限元分析，经计算最大变形约1.3 mm，最大应力约267 MPa<295 MPa，满足施工要求。

5.2 屋盖提升、卸载模拟计算

“最大应力和最大变形均与临时支撑部分和全部拆卸密切相关，这是由于临时支撑的拆除是一个结构体系转换且内力重分布的过程，在拆撑过程中，主体结构将从部分受力逐渐转化为完全受力而引起内力和位移增加。”以站房A区屋盖为例，采用专业软件建立结构有限元模型，采用杆系模型进行模拟计算，杆件均采用梁单元模拟，在吊点位置施加竖向约束及水平向弹簧约束（弹簧刚度很小，可忽略不计）。

（1）A区提升计算步骤见表1。

表1 A区提升计算步骤

（2）施工状态与原设计一次成型状态对比分析如图6所示。

图6 对比分析计算

杆件应力比按照“1.3（施工模型自重下应力比–原设计模型自重下应力比）+原设计全工况应力比”进行计算，屋盖杆件经过加固后，均满足“1.3（施工模型自重下应力比–原设计模型自重下应力比）+原设计全工况应力比”工况下的应力比最大值不大于0.9的要求。

5.3 健康检测

站房屋盖结构体系受力复杂，提升施工周期长，施工工况多，结构的安全重要性极高。施工期间的结构体系和施工后结构体系的不同会导致结构分析结果和实际的结构效应存在相当大的差异。

因此，对这样一座重要性极高的建筑，现场建立一整套健康监测系统，对施工过程及使用期间进行实时跟踪健康监测。

站房钢屋盖竖向位移测点选取屋盖钢结构桁架跨中、悬挑端处进行布置，共计26个变形监测点，同时在站房钢屋盖典型部位进行应力监测，共计385个应力监测点。

6 结束语

长沙西站屋盖钢结构为大跨度多曲面异形桁架体系，结构形式复杂、跨度大、结构超高、构件超长、超重。运用计算机仿真模拟技术解决了大面积、多节点构件拼装定位难题，为现场钢结构精确组装提供了坚实的理论依据。

同时，现场采用有限元软件对提升吊点、提升支架、屋盖提升、卸载等进行模拟计算，充分做到了整个屋盖施工过程中的每种受力状态均经过理论验算合格。现场一整套健康检测系统更保证了站房屋盖结构施工过程中和使用期间的安全运营状态。

液压提升和高空吊装在技术上的完美结合，不仅解决了大跨度、大面积、多曲面的屋盖结构安装难题，而且确保了施工过程中的安全和质量，创造了良好的社会效益。