江苏沪宁钢机钢机股份有限公司 江苏宜兴 214231
摘 要：广州南站是我国新建的四大高铁客运枢纽之一，结构主体采用了站桥共柱形式，地下层为现浇钢筋混凝土结构，12.0m层以上为大跨度预应力梁板混凝土与钢桁架梁柱组合结构，21.0m层以上及屋面采用大跨度空间钢结构体系。本文主要对其极富特色的站台无柱雨棚钢桁架支撑预应力索拱结构、主站房及中央采光带、入口大厅悬挑结构的预应力索拱与索壳组合弧形屋盖钢结构体系的构件与节点制作、主体钢结构的施工安装等内容进行说明，着重阐述了其中的重要节点及构件所采取的加工制作技术、预应力索拱与索壳的张拉施工等关键技术措施与结构施工全过程的有限元数值分析等重点内容，可供同类大型建筑钢结构工程的设计与施工参考。
关键词：广州南站 大型空间钢结构 索拱 索壳 加工制作 施工技术 数值分析
1.工程概况
广州南站位于广州市番禺区，是全国新建的四大高铁客运枢纽之一，总建筑面积约36万平米，建筑最高点标高52m，共三层，其中顶层大跨度钢结构屋盖投影面积为21万平方米，其整体建筑效果如图1所示。
图1：广州南站整体建筑效果图
根据建筑使用要求与结构设防烈度等因素综合考虑，广州南站结构主体采用站桥共柱形式，地下层为现浇钢筋混凝土结构；12.0m层以上采用大跨度预应力梁板混凝土与钢桁架梁柱组合结构；21.0m层以上及屋面采用大跨度钢结构体系，平面形状为边缘有突出的近似正方形，平面尺寸576m×475m；主体结构用钢量达8万吨。屋盖钢结构主要包括无站台柱雨棚、主站房弧形钢屋盖、中央采光带、入口大厅四个部分，其中无站台柱雨棚采用钢桁架支撑的预应力索拱结构，主站房屋盖、中央采光带、入口大厅悬挑结构为钢桁架支撑的预应力索拱和索壳两种结构的弧形组合钢结构体系。钢结构构件截面类型较多，有圆管、梭形管、长圆管及方管等，构件之间主要采用焊接、铸钢连接、销轴连接、栓焊混合连接或铸钢与焊接混合的连接方式。
2.钢结构的加工制作
2.1 钢结构加工制作的特点与难点
本工程建筑设计新颖，结构类型复杂，空间跨度、悬挑尺寸大（其中索拱、索壳跨度分别达到68m和58m，入口悬挑檐口南北向跨度更达100m、东西向跨度约40m），构件类型多样，板材厚度大，强度等级高（Q390GJC），给结构的深化设计与钢结构加工制作、施工安装等工作带来了相当的难度，主要有：
（1）该工程索拱和索壳结构安装于顶层21.0m楼板上方，最大安装标高达52m，施工投影面积192m×398m，属超大型结构的施工范畴，需特别考虑施工吊装工艺组织设计；
（2）拱与壳结构本身施工难度较大，本工程中索拱与索壳结构具有跨度大（单跨达到68m）、重量重（桁架单榀重达185吨）、外形尺寸大以及柔性预应力索结构分步张拉施工的特点；
（3）该工程材料强度高、超厚板构件较多，加上焊接量庞大、节点部位焊缝集中、焊缝质量要求高，导致结构在焊接过程中容易产生严重的角变形、扭曲变形、局部与整体变形，控制焊接变形与消除残余应力、防止层状撕裂等构件制作质量要求很高。
（4）本工程屋盖钢结构施工中同时进行桥梁及混凝土工程的施工，施工面积大，三项工程工序交错，配合情况复杂，施组编制要求高。
2.2 钢结构加工制作工艺措施
针对本工程结构在加工、制作方面的特点与难点，编制了详细的制作、焊接工艺流程，采取了一系列有效的工艺措施，确保结构每一根构件、每一处节点的制作质量，进而保证整个工程的质量。由于节点设计的合理性对结构构件的成形难度与加工质量影响很大，在结构扩初设计阶段即对结构体系的组成与连接进行了优化设计；考虑的因素主要有：构件分段易于切分与现场吊装；节点传力明确，刚度分配合理，符合设计意图与计算假定，易于施工；焊缝强度等级要求合理，构造连接简便化，尽量减少焊缝焊接拘束度等。其中关键的焊接工艺措施如下：
（1）焊接变形控制。本工程中钢结构构件数量多且构件形式各异，使用了较多的超厚板，如超厚板锥形钢管柱、厚板箱形柱、厚板焊接H型梁与箱梁、超厚板径索拱桁架等。为控制焊后构件及板件产生较大变形，主要采取的工艺措施有：1）根据不同的焊接方法，选择与控制合理的焊接顺序，如对每条焊缝正反两面分阶段、反复施焊，或同一条焊缝分二个时间段施焊；2）通过设置胎模夹具，将异形厚板结构构件处于固定的状态下进行装配、定位，焊接；3）针对本工程厚板、超厚板焊接过程的特点，施焊工序注意进行预热温度的控制工作，如采用补偿加热法工艺流程等；厚板焊前必须进行加热，加热时按板材的不同厚度，采用红外线电加热板，并配备数显电控箱，自动控制与调节焊接过程中的温度；4）采取反变形措施，如在H型钢拼装前将上下翼缘板先预设反变形，反变形量则通过焊缝施焊过程中的热输入量计算及积累的工程工艺经验综合考虑后确定。
（2）焊接裂纹控制。为防止焊接裂纹的产生，除考虑上述各项工艺焊接条件外，主要采用以下措施：1）选取适宜焊材，控制焊材的化学成分；2）控制焊接工艺的参数、条件，提高根部焊缝质量，提高焊缝清根要求；3）控制焊缝金属在800℃～500℃之间冷却速度（t8/5值），方法有焊前预热、适当增大焊接热输入、焊后的后热和缓冷，以达到增大t8/5、降低冷裂纹敏感性的效果；4）焊后消氢处理以加速氢的扩散。
对厚板及“T”型焊接与连接容易发生的层间撕裂，采取的预防措施主要有：1）控制钢材的含硫量，减少母材夹杂物及分层缺陷，增加、控制钢材的Z向性能；2）采用合理的节点与坡口设计以减小焊缝收缩应力；如角接接头中采用对称坡口或偏向于侧板的坡口，使焊缝收缩产生的拉应力与板厚方向成一角度，尤其在特厚板时，侧板坡口面角度应超过板厚中心，以减小层状撕裂倾向；3）采用合理的焊接工艺，如双面坡口时采用两侧对称多道次施焊、采用适当小的热输入多层焊接，选用低氢、超低氢焊条或气体保护焊方法、焊后消氢热处理等；4）对于梁翼缘与柱壁板熔透焊接，且为厚板“T”型焊于薄板的情况，采取局部加厚柱壁板的措施，尽量避免尺寸相差比较悬殊的厚板“T” 型对接于薄板的情况。
（3）残余应力控制与消除。针对本工程加工过程中构件的残余应力问题，工艺上主要从以下几个方面进行控制：1）减小焊缝尺寸（如单坡变双坡等）及焊接拘束度；2）采取合理的焊接顺序，如先焊对接缝，次焊垂直角焊缝，再焊平面角焊缝等；3）采取补偿加热法，焊前对焊缝周边一定范围内进行加热，加热温度视板厚及母材碳当量（CE）而定；4）对于大型结构构件采取分部、分解组装焊接，结构各部分分别施工、焊接，矫正合格后总装焊接。
尽管采取以上措施来控制焊接应力，但因本工程构件的特殊性，焊接完工后依然存在相当大的应力，为此还从以下几个方面来进一步消除构件残余应力：1）在整平过程中通过加大对工件切割边缘的反复碾压，利用对工件整平消除应力；2）控制加热温度与范围，在构件完工后对其焊缝背部或焊缝两侧进行烘烤，通过局部烘烤释放应力；3）对厚板箱形构件进行超声波震动消除应力；4）采用振动时效法消除应力；5）冲砂除锈时，喷出高压铁砂束对构件焊缝及其热影响区反复、均匀地冲击，利用冲砂除锈的工序消除应力。
2.3典型节点连接的深化设计
本工程钢结构构件类型包括圆管（桁架）、梭形管及方管、矩形管（桁架）、H形钢（桁架）等，构件之间采用焊接、铸钢节点连接、销轴铰接、栓焊混合连接及铸钢与焊接混合连接的方式。大跨度屋盖钢结构主要采用空间相贯焊连接形式，索拱与索壳的索夹节点、变截面锥形柱分叉节点及部分柱顶节点等采用铸钢节点形式，少量柱顶节点采用板式刚接节点，索拱、索壳的拉索端头、部分柱脚采用销轴铰结连接。由于构件与节点连接类型多、构造复杂，材料强度等级高、板材厚度大，结构的深化设计具有相当的难度。其中最重要的节点连接类型主要有：索拱与索壳张弦结构索夹节点；圆形、箱形及椭圆形变截面锥形柱分叉节点；柱顶板式加劲刚接节点；采光带单层网壳箱梁交汇刚接节点；三向张弦梁及入口大厅悬挑结构连接节点等。此处限于篇幅，另文详述。
3.钢结构施工
3.1钢结构整体施工方案
对于本工程这样的大型空间钢结构项目，现场施工组织设计至关重要，制定合理的施工方案并进行准确的施工过程分析是结构安全施工与顺利成形的根本保证。根据主体结构的施工吊装工艺要求与现场施工条件，本工程首先按场地分块划分图设置临时支撑，采用场内对称、分块（结构组成单元）与分步的结构施工方案与吊装技术路线，分块、逐次地进行结构支座及主构件的施工；在形成结构受力骨架主体单元后，再按要求进行分块、局部区域的拼装，直至结构整体吊装完成；无站台柱雨棚与主站房部分施工相对独立。
针对本工程预应力钢结构施工的难点与特点，在施工工艺上主要采取了以下的控制措施：1）严格控制制索精度；2）规定预应力施加过程的速率，保证结构经历一个平稳自适应的过程；3）确定预应力施工顺序，确保结构尽可能均匀、对称、匀速地施工，避免出现过大的局部集中荷载效应并使预应力分布到整个结构；4）对钢结构的变形、应力和预应力钢索的受力状况进行实时监测，保证结构的初始状态与原设计相符。
现场预应力钢结构施工时，将屋盖钢结构划分为8个安装分区。预应力张拉施工流程如下：1）每榀索拱桁架在地面拼装完成后进行初张拉，张拉力根据计算确定，应保证结构起吊刚度及索拱支座间相对距离要求；2）将桁架吊装至钢柱定位后，B、D-1和D-2区拉索张拉时结构互相不影响，可随着安装逐步进行拉索张拉到位；3）对于A-1、A-2、C-1、C-2和E区，由于沿拉索轴线跨度方向受力与变形互相影响很大，需要在一个分区全部完成后，最终张拉到设计索力；4）全部屋面安装完成后，对结构变形进行检测，对个别误差较大的索桁架进行张拉微调。
4.钢结构施工过程数值分析
对于此类复杂的多类型刚柔结构组合体系，为能更好地了解结构的受力性能以便于指导钢结构的顺利施工，对整体结构的施工各阶段进行考虑施工吊装过程结构累积受力与变形效应的全过程有限元模拟计算，给出一些动态的量化控制指标，是保证工程安全有效实施不可或缺的重要环节。同时，在保证施工过程中主结构构件受力安全与合理的情况下，采用的吊装施工分段工况尽量少，吊装分块尽量合理，以力图实现最快的施工进度并取得最好的施工质量效果。
结构预应力施工分区图
4.1 主站房计算结果
根据主站房屋盖钢结构施工全过程有限元数值分析结果可知，在整个施工过程中，随着各部分结构构件的顺序安装，结构反力逐步增大，胎架支撑的最大应力为125N/mm2＜210N/mm2，发生于中央采光带下支承胎架联系梁的上弦处（第15施工步）；主构件的最大应力为278N/mm2＜310N/mm2，发生于E轴檩条的悬挑处（第18施工步），均满足要求。
支撑胎架总体位移控制在100mm之内（鉴于此，实际施工中要求相应部位构件安装时通过预拉缆风绳等加强其整体联系），满足施工要求。由于施工过程分析考虑了结构变形的累加效应，随着结构的逐步吊装成形，构件变形逐步加大，主结构构件的最大整体位移115mm（发生于A轴附近悬挑檩条处），均符合要求。
4.1.1 无站台柱雨棚计算结果
从无站台柱雨棚屋盖钢结构施工全过程有限元数值分析结果可知，在整个施工过程中，随着各部分结构构件的顺序安装，结构反力逐步增大，胎架支撑的最大应力180N/mm2（局部范围）＜210N/mm2，发生于支撑顶部竖杆部位（第16施工步）；主构件最大应力117N/mm2＜310N/mm2，发生于索拱端部水平杆（第11施工步）；主结构拉索最大内力1348kN＜Fu/K=6132/3=2044kN（第15施工步），均满足要求。
在无站台柱雨棚施工过程中，胎架支撑水平位移较小（x向最大13mm，y向最大26mm），主要发生在格构柱顶部位，满足设计要求；但鉴于该胎架顶部水平撑杆部位计算应力较大，且最大竖向位移也发生在此处，在设计支撑截面时予以适当加大，保证其不成为控制胎架受力的主要因素。由于施工过程分析考虑了结构变形的累加效应，随着结构的逐步吊装成形，构件变形逐步加大，主结构构件的最大整体位移67mm（发生于结构G~I轴/3轴索拱处），符合要求。
5.结 语
作为我国新建的四大高铁客运枢纽之一，广州南站大型空间钢结构设计新颖，结构构件类型多样、构造复杂，其节点深化设计、构件加工制作与结构施工安装具有相当的难度。本文主要对其极富特色的站台无柱雨棚钢桁架支撑预应力索拱结构、主站房及中央采光带、入口大厅悬挑结构的预应力索拱与索壳组合弧形屋盖钢结构体系的构件与节点制作、主体钢结构的施工安装等内容进行说明，着重阐述了其中重要的节点及构件所采取的制作与施工技术、预应力索拱与索壳的张拉施工等关键技术措施与结构施工全过程的有限元数值分析等重点内容，可供同类大型建筑钢结构工程的设计与施工参考。
参考文献：
[1]钢结构设计规范GB50017-2003.
[2]建筑钢结构焊接规程JGJ81-2002.
[3]铸钢节点应用技术规程CECS235-2008.
[4]陈绍蕃，顾强.钢结构（上册）.北京：中国建筑工业出版社，2003.
[5]李和华等.钢结构连接节点设计手册（第二版）.北京：中国建筑工业出版社，2005.
[6]江苏沪宁钢机股份有限公司.经典建筑钢结构工程.北京：中国建筑工业出版社，2008.
论文作者:蔺军,丁建强,高继领,任军
论文发表刊物:《基层建设》2015年30期
论文发表时间:2016/8/12
标签：结构论文; 构件论文; 钢结构论文; 厚板论文; 节点论文; 预应力论文; 桁架论文; 《基层建设》2015年30期论文;