大型火车站主站房钢结构施工过程模拟与安全性分析

摘要：我国建筑钢结构事业的迅速发展，各个异型空间钢结构建筑也越来越多的出现在我们的生活中。从结构设计的角度来说，大跨度复杂空间钢结构发挥的高强效能、钢材轻质等特点都是一种合理的结构形式，但从施工的角度来说，大跨度复杂空间钢结构也对我们有更多的要求，传统的施工方法和技术不能够完全满足现实的需求。本文对大型火车站主站房钢结构施工过程模拟与安全性分析进行研究，对国内大跨度钢结构施工提供了经验积累，并对复杂铸钢节点的设计提供参考。

关键词：网壳；施工控制；铸钢节点；非线性；施工组织。

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

前言

我国建筑钢结构事业的迅速发展，各个异型空间钢结构建筑也越来越多的出现在我们的生活中。从结构设计的角度来说，大跨度复杂空间钢结构发挥的高强效能、刚才轻质等特点都是一种合理的结构形式，但从施工的角度来说，大跨度复杂空间钢结构也对我们有更多的要求，传统的施工方法和技术不能够完全满足现实的需求。

施工组织简介

新建的火车站造型独特并且规模宏大，从结构来看，是枝状支撑空间异形钢结构，把桥梁结构、多层框架结构和空间大跨结构融为一体，可见图一.这种异型构件繁多，既拥有柔性的特点，又有刚性的特点，而且杆件是双拱形式布置，并在空间多以双曲面结构，它的制作安装精度、空间定位、变形控制要求和结构稳定的要求都很高，安全和质量管理难度非常巨大，施工技术难点多。

图一

在施工过程中，结构线形和安全性等角度考虑，大跨度枝状支撑空间曲面钢结构施工安装最完美的方法就是搭设满堂胎架，然后就对上部钢结构进行施工，最终分级卸载施工完成。这样的施工考虑不仅让建成之后的结构应力分布、受力状态和结构的线形等和设计值保持一致，还可以保证节点随时处于安全状态，整体结构的变形也处于可控范围内。首先网壳结构都是建筑面积大、净空高等特点，而这些都会让用钢量大，并且超过钢结构本身的的用钢量，这样搭建的特定建筑结构的大型胎架就不能反复利用，让资源浪费。而就图一我们新建的火车站项目来说，如果使用搭设满堂胎架进行施工，主体结构横轨方向超过了300米，顺轨方向也有107米，国内目前最大的塔吊也无法合理配置并且完全覆盖整个施工面。而如果用比现有更大的塔吊，并且满足其施工工期的要求，在时间上是完全不够的。因此摒弃满堂胎架搭设方法后，综合考虑根据实际火车站工程的结构特点和施工时间、塔吊等问题，最后两个半副胎架方法被考虑。

整体施工过程的数值模拟和安全性研究

(1)大型火车站主站房钢结构施工过程模拟。

现今大跨度钢材建筑的搭建一般采取设置零时支撑，建设完成后拆除临时支撑。整个安装与拆除过程均采用先两边后中间原则，可有效预防受力不平均发生的稳定性、强度破坏。

预设值：

结构自重：重力加速度9.8m/ s³，钢材密度7900kg/ m³

中央站房屋面吊顶 （含檩条）0.27kn/ m2

中央站房屋面板（含檩条）0.38kn/ m2

夹层施工荷载2.2kn/ m2、

第一步：完成施工夹层及主拱结构

第二步：安装各区施工支撑轴的V撑

第三步：安装网壳及下部支撑，安装千斤顶

第四步：分区拆除支撑轴

第五步：拆除千斤顶

第六步：分区逐步拆除主拱

第七步：分区拆除网壳及下部支撑

(2)大型火车站主站房钢结构施工原理。

主体设计采用平行网壳设计，此网壳承受性能优秀，能有效抵抗地震冲击，非常实用于大跨度设计类建筑。整体安装采用高空安装法结合滑移法，预先搭建少量支撑结构，将主要部件吊装到位后对小型部件进行高空滑移拼接。可有效减少工程总体施工量，加强网壳整体强度。

火车站建筑属于复杂大跨度网壳结构，由于所需配件繁多，规格不一，结构形体复杂，安装时受现场环境，温度变化多方面影响，安装精度难以控制。因此施工时必须采用有效措施，从安全性考虑，首先需要核对材料堆放位置，提前考虑安装误差，对施工图纸进行编号，使误差处于受控状态下。总体设计从安全性角度出发，应优先架设满堂胎架，在保证泰架刚性与稳定性之后完成上部钢架结构施工，最后对结构分级卸载。

同时大跨度钢架结构是一个逐渐完整的过程，每个阶段都由一个“不完整”结构组成，应严格设计计算步骤，依次计算不完整状态结构内力，变位等。当所有结构完成后再次计算结构最终变位、内力等参数，依次叠加。这样能够在施工阶段分步实施，控制各部分风险，当某一阶段出现结构承重超标时能立即发现，立即对结构加固，防止结构产生破坏。

(3)大型火车站主站房钢结构施工安全性研究。

从施工安全性出发需要达到下列三方面条件：保证建筑外形达到设计要求;保证各个阶段结构强度、稳定性、刚度达到设计要求;保证结构内在应力分布特征水平达到设计要求

通常设计不考虑施工过程中发生的力学问题，但由于现代大型大跨度钢材建筑结构复杂，在结构形成过程中容易因施工过程中单个部位结构强度不足而照成破坏，使结构失去平衡甚至倒塌，或因主体结构与周边设施的链接处存在施工措施隐患，部分构建存在人为疏忽，照成重点部位发送较大位移。所以在整个施工过程中关键构件的应力水平控制是重中之重，从历史经验来看，多数发生结构性损坏的工程中多是由于关键构件承重性超标或者发送超出预期位移，从而产生严重后果。因此施工过程中的关键步骤的安全性分析尤其重要。这就要求我们将施工过程分段进行分析，随时分析施工过程中结构形态和受力状态变化，验算整体结构及构建稳定性、强度、刚性是否达到要求。在某一结构施工完成后结构暂时处于平衡状态，但在进行下一步安装时，新安装部分容易对原结构产生影响，因此要分析结构最终完工后各步骤产生的内力与位移的叠加，保证结构的应力和变形是可控的，并采用模拟分析计算，提前制定部件安装的误差值，实测施工过程中结构变形情况，应力水平分布数据，将实测数据与模拟分析数据进行对比，对后续安装的数据进行及时调整，使结构达到最终的平衡，保证工程安全、顺利完工。

四、结束语

本文通过对大跨度钢材网壳建筑的一个初步研究，认为只要能在施工过程中避免结构固化，提高整体施工控制能力，双层网壳结构能够对整个施工过程的安全性与质量的可靠性的提升带来有效的理论支持以及建筑投入使用后的安全稳定提供更大的保障。并且对大型火车站主站房钢结构施工过程模拟与安全性分析进行研究，对国内大跨度钢结构施工提供了经验积累，并对复杂铸钢节点的设计提供参考。

参考文献：

[1]杜文风.基于性能的空间网壳结构设计理论研究[J].浙江：浙江大学结构工程系.2007.

[2]李跃林，杜义欣，汤荣伟等.武汉火车站复杂屋盖及其支承结构的屈曲分析研究[J].建筑结构.2009.39（1）：5~7.

[3]薛素择，曹资，张毅刚.钢网壳弹塑性地震反应分析[J].北京工业大学学报.2001.27（1）:50~53.