大跨度屋面钢桁架结构吊装地面免加固技术

中铁建工集团有限公司 上海 200331

1 工程概况

南昌铁路西站总建筑面积约26 万m2，共分4 层，地下2层为南昌地铁2号线、地下1层为高铁出站大厅、地面1层为站台层、地面2层为高架候车层，地下1层层高10.8 m，站台层层高10 m，高架层层高15～25 m，站房平面尺寸为168 m×385 m（图1）。

图1 南昌西站鸟瞰

2 结构体系情况

2.1 地铁2号线

2号线隧道为处于地下2层的三跨矩形箱体框架结构，车站底板、中板、顶板纵向自南向北以2‰的坡度倾斜；箱涵典型层高7.86 m，箱涵外墙厚700 mm，站台段中墙厚800 mm，隧道段中隔墙厚500 mm；地铁隧道顶板厚400 mm，底板厚800 mm（图2）。

2.2 国铁地下通道（地下1层）底板结构

厚800 mm C40混凝土，双层双向Φ25 mm@200 mm钢筋网，结构加强带位置为地铁隧道箱涵侧板外2 000 mm。

图2 地铁2号线主体结构典型横剖面（公共区）

2.3 站台层结构

站台层结构平面如图3，其中，字母轴主梁主要为3 100 mm×1 800 mm矩形中空扁梁，数字轴梁主要为3 100 mm×1 800 mm、2 300 mm×1 500 mm不等，数字轴方向于12轴、13轴两侧分别布置加强带，距轴线距离4 750 mm，字母轴方向结合结构缝、正线桥及加强带，共分为8×3=24 个区。

2.4 地面以上结构及屋面

高架层以上钢柱截面A1 700 mm×30 mm，其中11轴、14轴线两列钢柱（计16 根）分四叉，竖叉为A700 mm×20 mm，其余钢柱（计8 根）与9轴、16轴两列钢柱（计34 根）均为标准钢管柱，站房屋面采用倒三角管桁架结构体系，桁架最大跨度61 m，截面高度约3 m，桁架弦杆规格A377 mm×10 mm、腹杆规格A133 mm×8 mm。

图3 站台层结构平面布置

3 结构拆解分析

根据以上对地铁、国铁底板，轨道层，高架层，屋面钢构的整体分析，12、13轴结构柱到高架候车层即封顶，9、11、14、16轴柱起到屋面钢结构的支撑作用，典型结构断面如图4所示。

图4 站房主体断面示意

由图4可看到，轨道层、高架层距12、13轴处分别设置加强带，该处可作为施工缝处理，即12、13轴结构根据需要，可以做预留后施工处理。

4 吊装通道设计

根据上述结构拆解分析，考虑12、13轴结构预留，则可利用地铁隧道箱涵和站房地下室底板的承载力，行走履带吊车以进行屋面钢结构的吊装；两侧屋面的钢结构，则可利用出租车通道顶板，架设路基箱行走履带吊车。

根据拟订的安装方案，结合屋盖桁架的单元划分方案，拟在8～9轴、11～12轴、13～14轴、16～17轴间共布置4 道垂直于轨线的吊车行走通道（图5）。

图5 屋面钢结构吊装形象示意

5 吊车行走通道设计及承载力复核[1-8]

5.1 地铁上方11～12轴、13～14轴间行走通道设计

（a）路基箱布置：11～12轴、13～14轴间布置L=15 m路基箱，横跨地铁侧墙与地下室－11.5 m底板，再沿吊机行走方向（垂直铁路桥方向）铺设L=18 m路基箱，如图6所示。

图6 吊车路基箱布置示意

（b）路基箱承载力计算：本次中间轴吊装选用SCX2500全油压履带起重机，根据吊机参数和工作状态下路基箱的计算可知，吊车在工作状态时可能对路基板产生的最大弯矩6 687 kN·m，最大剪力Vmax＝1 486 kN，即为路基板的设计荷载，对应的线荷载为234.2 kN/m，初选路基箱截面为800 mm×2 000 mm。路基箱跨中最大挠度为14.9 mm≤18 000/400=45 mm，最大组合应力61.0 N/mm2＜295 N/mm2，满足承载力要求。

（c） 路基箱支座计算：以18 m跨路基箱及支撑为计算对象，计算中考虑自重和吊车作业荷载。图7为路基箱及其支座布置简图，经计算分析可知，在最不利情形下，单个支座最大支座反力为2 177 kN。

图7 路基箱及其支座布置示意

经过上述验算，路基箱强度具有足够安全储备，且满足使用刚度要求。下面再根据路基箱不同的支承状态，对下部支撑构件进行强度验算。

路基箱下墙体厚度700 mm，高度7.55 m，从偏于保守考虑，仅考虑路基箱宽度范围内混凝土墙体抗压承载力，同时不考虑纵向钢筋的贡献。混凝土强度等级C40，fc=19.1 N/mm2。

通过计算可以看出，吊车及通道对支承墙体产生的附加荷载，只占墙体抗压承载力的很小比例，因此，支承墙体可满足吊车通行的要求。

另有部分墙体厚800 mm，高度相同，作为支承墙体同样可满足吊车通行的要求。

5.2 出租车通道上方吊装通道布置

根据总体施工计划，站台两侧出租车通道区域施工随铁路桥及地下室施工同步推进，故此8～9轴，16～17轴履带吊机需行走于出租车通道顶板上部，但由于出租车通道顶板不完全满足吊机直接行走要求，故局部需采取相应加强措施。

5.2.1 8～9轴区域

因该区域出租车通道两侧均有800 mm挡墙，吊机行走采用了大型路基箱（H=700 mm路基箱）横跨两侧挡墙，再沿吊机行走方向纵向铺设L=15～18 m路基箱的方式（图8）。

图8 8～9轴出租车通道顶板吊机行走剖面示意

5.2.2 16～17轴区域

该部位由于出租车通道变宽，且下部无支撑墙体，故需要设置临时支撑，以满足顶板行走吊车的承载力要求；独立支撑如见图9、图10所示，独立支撑基础部分采用植筋方式固定。

立柱支撑承担吊车及路基箱所产生的附加荷载，经用有限元分析软件Midas GEN 7.8.0建模进行验算，验算结果如下。

附加荷载作用下，独立支撑压缩变形3 mm，此变形被加固混凝土梁所分担，故竖向荷载较小，即所加独立支撑可有效承担路基箱通道及吊车荷载。

6 结语

通过该工程，我们总结：

（a）根据对站房整体结构特点和现场条件的分析之后，因时、因地制宜，确定了“地面组装+高空拼装”的方案，并且采用“跨内跨外联合吊装”的方式进行屋盖钢结构吊装。

（b）根据结构特点和通道设计，投入4 台2 500 kN履带吊可以满足屋盖钢结构吊装要求。

图9 16～17轴出租车通道顶板吊机行走剖面示意

图10 独立支撑示意

（c）通过吊装工况的计算分析，吊机行走通道应设置钢路基箱；其中间轴地铁结构侧墙强度和刚度，能够充分满足吊装设备承重的需要；两侧出租车通道部分顶板则要进行局部顶撑加固，加固后能够充分满足吊装设备行走的需要。

（d）该免加固吊装技术，通过预留结构后施工，充分利用地铁和出租车通道侧墙刚度，落地吊装，不仅满足了屋面钢结构的吊装需求，且由于无需对轨道层和高架层结构进行满支撑加固，节约了巨额成本，并有效地保证了工期的快速进行。