张文学

中铁建工集团有限公司 北京 100160

随着我国经济建设的快速发展，大跨度空间网架结构在工程中的应用越来越普遍，这种结构整体性好、刚度大、抗震性能好，广泛应用于铁路站房、机场、会议中心、体育场馆等大型公共建筑中。由于大跨度空间网架结构成形过程一般是通过高空散装、整体（或分条分块）吊装、整体（或部分）滑移、整体提升（或顶升）等施工技术从零散构件逐渐安装形成最终结构整体的过程，在施工过程或成形后存在一定的安全风险，例如结构失去平衡而倾覆，或由于结构失去稳定而倒塌，或由于局部构件和节点强度不足而破坏，也可能成形后的结构与设计状态相差甚远，造成结构使用阶段的安全隐患。因此，施工技术人员需要了解结构的设计状态及结构性能，正确选择结构成形及施工方法，确保施工安全与工程质量[1-2]。

1 工程概况

厦门站站房平面呈矩形，南北长约206 m、东西宽约145 m，设南北站房并与跨越股道的高架候车厅连接为一体，主站房建筑规模约27 581.5 m2（图1）。站房屋盖采用钢网架结构，站房屋盖整体呈拱形，拱顶最大高度31.0 m，整个屋盖水平投影面约117 m×188 m。屋盖采用四角锥焊接空心球网架结构，网格尺寸（4.0～4.5）m×（4.0～4.5）m。网架高度沿横向变化，跨中高3.0 m，边跨高2.4 m。沿纵向布置8榀V形钢箱柱用于支承网架屋盖，V形柱跨度67.00 m，钢网架跨度20.23 m＋51.20 m＋20.23 m（图2、图3）。

图1 厦门站工程效果图

图2 站房钢网架三维透视图

图3 站房钢网架断面

2 施工难、重点分析

1）站房屋盖安装区域面积大、安装场地有限，铁路股道施工期间需要转线，采取分区累积滑移施工，施工组织及安装精度上有一定难度。

2）大跨度拱形网架滑移施工存在水平力释放情况，拱结构受力与设计状态不尽一致，如何控制拱结构杆件施工过程及成形后内力的变化，确保施工安全与质量是施工控制重点。

3 施工总体部署

网架高空滑移总体思路如下：网架屋盖以F轴为分界线，划分为南、北2个滑移施工区域，如图4所示；对南、北两区网架进行分段，作为累积滑移施工的滑移单元，北区分段如图5所示，南区分段如图6所示；对南、北区分段网架进一步进行分块，作为地面拼装最小构件单元，最后在高空施工平台进行分段拼装；利用纵向V形柱＋临时支撑作为滑移轨道支撑柱，设置4条滑移轨道，滑移轨道及支撑布置如图7、图8所示；分区进行累计滑移施工，两区合龙部位采用散吊杆件安装。最终合成结构整体，检验合格后进行卸载。

图4 站房钢网架分区示意

图5 北区网架分段区示意

图6 南区网架分段区示意

图7 滑移轨道及支撑布置示意

图8 滑移轨道及支撑布置轴测示意

4 施工关键技术

4.1 施工全过程仿真分析原理

钢屋盖为正交正方四角锥曲面网架结构，矢高9.8 m，跨度91.6 m（外侧支座跨度），结构上部分存在拱的受力特性，与常规平面网架受力有所不同，需对网架结构和V形柱的受力机理做深入分析研究。

由于滑移工况与设计工况的加载形式不同，施工阶段会影响网架的应力，因此需要对整体结构做施工全过程仿真分析。首先模拟施工阶段拱形网架在自重荷载作用下，在滑移支座支撑（简支约束状态）工况下的应力变形分布，其次模拟V形柱与网架支座连接后，除自重荷载外其他设计荷载加载工况下的应力变形分布。真实反映施工残余应力与设计应力叠加作用。

如图9受力分析，网架在自重（包括屋面附属结构）工况下，由于拱效应作用，网架支座会产生水平反力Fa，此反力由V形柱提供，柱顶水平荷载Pa＝Fa，形成了V形柱和网架共同受力的结构模式。

实际上采用滑移施工时，临时滑靴侧向基本没有约束，无法对网架提供水平横向约束。在网架自重工况下，如图10，支座水平反力Fa＝0，支座产生了横向变形Xa，此时拱效应无法形成，网架跨中网架受力增大。V形柱顶水平反力消失，由于V形柱倾斜受力，在网架支座反力Na的作用下，V形柱弯矩大于图9中设计状态Na、Pa共同作用下的弯矩。

图9 网架V形柱设计状态整体受力分析

图10 滑移施工V形柱受力分析

4.2 施工全过程仿真分析

对比滑移施工工况和设计共同受力工况，滑移工况下的网架跨中弯矩增加，跨中杆件应力增加，网架下挠增大，V形柱弯矩增加。因此，需要对网架做整体施工全过程进行模拟分析，分阶段加载，首先模拟网架部分在自重荷载下，在滑移支座支撑（简支约束状态）工况下的应力变形分布，再模拟V形柱与网架支座连接后，除自重荷载外其他荷载加载工况下的应力变形分布。根据屋盖网架累积滑移施工顺序，对下部混凝土框架、V形柱、屋盖网架整体建模，分3个施工阶段，进行施工全过程模拟以校核屋盖结构（包括V形柱）滑移法施工成形后叠加设计使用状态下的滑移结构自重外的载荷，对超限杆件予以替换。具体如下：

第一施工阶段：按累积滑移施工顺序，分析屋盖网架在临时滑靴竖向支撑下的受力。累积滑移施工步骤较多，图11为第一阶段累积滑移施工4个过程截图。

图11 第一阶段累积滑移施工过程

第二施工阶段：网架支座滑移至V形柱顶，支座横向无约束。模型中设置短柱来模拟滑靴特性（图12），短柱横向的抗剪刚度设置一个很小的略大于0的数值。此模型中，V形柱只承受滑移支座传递的竖向反力，横向水平力为零。网架滑靴横向变形17 mm，V形柱顶－33 mm，两者的横向变形值不同，相差50 mm，变形方向也符合前文的受力分析结果（图13、图14）。

图12 模型模拟杆件示意

图13 网架滑靴变形示意

图14 V形柱顶变形示意

第三施工阶段：V形柱连接段连接V形柱和网架支座焊接球，删除滑靴短柱。此时，网架支座横向变形已经完成，与V形柱焊接固定，完成原设计连接方式（图15）。

图15 网架与V形柱固定变形示意

第四施工阶段：加载屋面、吊顶、风载等载荷，输入地震荷载，并输入相关组合，验算校核网架杆件的应力比，网架的下弦杆件应力比增加较明显，部分杆件超出许用应力比，杆件的应力比最大值约1.10，经设计审核确认，置换杆件数量96根，约占网架杆件总数的0.89%。V形柱的最大应力比为0.865，满足设计限值要求。

4.3 网架滑移计算

4.3.1 滑移施工起动推力计算

网架累积滑移采用常用的计算机控制，液压顶推的方式，滑动摩擦最大起动推力F=μ×G。式中：μ为滑动摩擦因数，根据以往工程经验，滑动摩擦因数取0.2；G为滑移网架自重。根据施工总部署，将网架屋盖划分为南、北2个滑移施工区，滑移北区需要的水平推力最大。北区网架自重约为1 500 t（含檩条、马道、天窗），水平推力F北= 0.2×1 500 t=300 t，布置6台100 t油缸，总计顶推力600 t，满足要求。

4.3.2 滑移支座设计及受力计算

网架结构通过滑移临时支座支承在轨道上，支座侧向挡块与轨道边缘距离为30 mm，由施工过程仿真结果可知，滑移工况下，滑移支座最大的水平位移不超过21 mm，因此轨道挡块与轨道边缘的距离，能够保证结构在滑移施工中水平力得以释放，不会对轨道及支撑系统上产生过大的侧向水平推力。同时，为了防止滑移支座与滑移轨道发生“卡啃”现象，在滑移支座底板滑移前端进行倒圆角，本工程倒圆角值为R15 mm。

根据网架第一阶段的仿真受力分析，网架卸载位置最大支点位于B2，支点反力80 t，对B2节点进行有限元分析，应力结果如图16所示，变形结果如图17所示。

图16 B2节点应力截图

图17 B2节点变形图

通过分析，B2节点卸载牛腿除个别应力集中外，其余各单元应力在200 MPa以下，最大变形为0.4 mm，支点处变形为0.3 mm左右，满足卸载要求。

4.4 网架滑移变形控制

该工程网架屋盖实行分区分段累计滑移，如何保证后续拼装单元与前面的滑移单元进行有效对接，成为此工程网架滑移变形控制的关键。

按常规累积滑移施工方法，后续单元的卸载会影响到前一单元的杆件受力，与原设计一次加载不符。因此，对常规拼装方案做了修改完善。

单元N已滑移出拼装位置后，单元N＋1（除去二次安装杆件部分）在拼装台架上完成拼装工作，卸载至两端滑移支座上。此时卸载，受力状况与单元N相同，且N＋1单元的卸载不会影响到N单元的受力。卸载后，焊接二次安装杆件，补全网架，拼装顺序如图18所示。同时对拼装单元进行施工预起拱，起拱值大小参考结构施工过程仿真分析结果。

图18 拼装顺序示意

4.5 网架卸载施工

1）卸载顺序：纵向由中间向两侧支座处对称卸载，横向从V形柱内圈向外圈卸载。

2）卸载步骤：首先利用千斤顶将结构稍微顶起，然后拆除滑移轨道及临时支座，设置调节垫片，通过抽出调节垫片使结构平缓的卸载到V形柱上。

5 结语

通过对网架滑移施工全过程进行仿真分析，以仿真分析结果指导施工，解决了滑移施工工况与设计工况力的加载形式不同而造成网架杆件应力不同的难题，保证了结构及施工的安全，达到预期效果，圆满完成了拱形网架的施工任务。