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（上海鐵路局徐州樞紐建設(shè)指揮部  江蘇徐州  李曉峰 221000 )
(中冶建筑研究總院有限公司華東分院  金立贊200940）

 
摘要：徐州火車站無站臺柱雨棚為單向受力的張弦桁架鋼結(jié)構(gòu)體系，該體系由鋼管桁架梁、撐桿和拉索組成，通過在下弦拉索中施加預(yù)應(yīng)力使上弦壓彎構(gòu)件產(chǎn)生反撓度，使結(jié)構(gòu)在荷載的作用下產(chǎn)生的最終撓度得以減少，是一種新型的自平衡體系。在該結(jié)構(gòu)的施工中，預(yù)應(yīng)力懸索是關(guān)鍵部位，預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的設(shè)計和控制是重點，因此有必要對懸索的施工技術(shù)進行探討，為同類預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程提供借鑒。
關(guān)鍵詞： 預(yù)應(yīng)力懸索 結(jié)構(gòu)施工
 
Construction Technique for Suspension Cable of Non-prop Platform Canopy in Xuzhou Railway Station
Li xiaofeng
(Construction Headquarter of Xuzhou Terminal Shanghai Railway Administration, 221000)
Abstract: The non-prop platform canopy in Xuzhou railway station, is a truss string structure. The system is combined by steel pipe truss beam, struts and cables. As a new self balance structure, pre-stress was employed in bottom chord cable in the construction, and thus the structure deformation under the load was reduced. The key point in construction is the control of pre-stress in the cable. It is necessary to study on the pre-stress control, and the experiences can be referenced and popularized.
Keywords: Non-prop platform canopy, pre-stress suspension cable, construction technique
 

1. 工程概況
     徐州火車站無站臺柱雨棚改造工程，其鋼結(jié)構(gòu)雨棚建筑面積為46912m²。該結(jié)構(gòu)體系為單向受力的張弦桁架鋼結(jié)構(gòu)體系，采用張弦桁架作為主梁，柱側(cè)采用鋼管桁架懸挑梁，縱向采用鋼管次桁架作為主檁條，上鋪H型鋼及冷彎薄壁C型鋼次檁條，屋面為壓型鍍鋁鋅鋼板。

                         

                圖1 建筑效果圖

      建成后的徐州站風(fēng)雨棚，實現(xiàn)了對高架候車室南北兩側(cè)的全站臺覆蓋，整體宏偉大氣，極富現(xiàn)代感，為提高鐵路運輸服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)水平提供了良好的硬件設(shè)施。建筑效果圖見圖1。
2. 結(jié)構(gòu)組成
     張弦桁架結(jié)構(gòu)是一種由剛性構(gòu)件上弦、柔性拉索、中間連以撐桿形成的混合結(jié)構(gòu)體系。通過在下弦拉索中施加預(yù)應(yīng)力使上弦壓彎構(gòu)件產(chǎn)生反撓度，使結(jié)構(gòu)在荷載的作用下產(chǎn)生的最終撓度得以減少，撐桿作為對上弦壓彎構(gòu)件的彈性支撐也改善了結(jié)構(gòu)的受力性能。作為一種新型自平衡結(jié)構(gòu)體系，顯著的減少了結(jié)構(gòu)用鋼量，具有良好的經(jīng)濟型和美觀性。
結(jié)構(gòu)平面、剖面圖分別見圖2、圖3。

圖2 結(jié)構(gòu)平面示意圖
 

圖3 結(jié)構(gòu)剖面示意圖
 

2.1 鋼管桁架梁
    鋼管桁架梁斷面見圖4。鋼管桁架梁為倒置正三角形，桁架上弦矢高為3m，下弦矢高5m，桁架寬2m，根部高度3.5m，跨中高度1.5m；上弦桿截面為φ273X12，下弦桿截面在跨中為φ299X16，兩側(cè)為φ299X14，腹桿為φ102X5、φ133X8、φ159X10，桁架弦桿與腹桿間為相貫焊縫連接。
2.2 撐桿
      撐桿截面為φ159X10，撐桿上端與桁架下弦桿通過銷軸連接，下端通過鑄鋼球與拉索鉸接連接。
2.3 拉索
   張弦桁架拉索選用φ5X199高強度低松弛鍍鋅半平行鋼絲束，拉索截面面積為3907mm²，拉索抗拉強度標準值為1670MPa，拉索錨具采用冷鑄錨，拉索穿過下弦后通過三分節(jié)點分出兩根高強度鋼拉桿，最終鋼拉桿鉸接于上弦桿和柱交接部位，將拉索預(yù)應(yīng)力平均分配到兩根上弦桿上，拉索與下弦相交部位采用鑄鋼相貫節(jié)點，保證索與下弦桿之間無直接接觸。實際節(jié)點照片見圖5。
                            
     圖4 鋼管桁架梁斷面                                                    圖5 鑄鋼相貫節(jié)點

 

 2.4 柱側(cè)懸挑桁架
    柱側(cè)懸挑桁架為倒放正三角形桁架，上弦桿及下弦桿截面均為φ273X12，腹桿為φ102X5、φ133X8、φ159X10，桁架弦桿與腹桿間為相貫焊縫連接。
2.5 鋼柱
    鋼柱由兩根φ500X22的鋼管混凝土柱組成，兩根柱沿線路方向布置，柱間有φ219X10鋼管腹桿連接組成格構(gòu)柱，使得在平面外形成較大剛度，抵抗結(jié)構(gòu)側(cè)向水平力。為了彌補柱外形受限造成的強度不足及平面內(nèi)抗彎能力弱的現(xiàn)狀，在鋼管柱內(nèi)設(shè)鋼套管，改善鋼管性能，同時解決排水管通道問題，鋼管柱內(nèi)灌注C60高強度微膨脹混凝土。為了解決懸挑部分在正常使用過程中的向下?lián)隙群惋L(fēng)吸力作用下的向上撓度問題，在每組柱兩側(cè)設(shè)置剛性拉桿，通過柱頂使得懸挑部分和中間桁架的內(nèi)力得以部分平衡。
2.6 鋼管次桁架（次梁）
    風(fēng)雨棚縱向采用倒放正三角形鋼管次桁架作為次梁，間距約6m，次桁架弦桿截面為φ133X6，腹桿為φ50X3。次桁架連續(xù)布置，上弦桿與張弦桁架主梁相貫連接。次桁架斷面見圖6。
2.7 H型鋼鋼梁、水平支撐及C型鋼檁條
   次桁架上弦上鋪H300X200X4.5X8鋼梁，間距4m，H型鋼鋼梁連續(xù)鋪設(shè)，強度得到充分利用，撓度也得到較好的控制，同時用鋼量較經(jīng)濟。
H型鋼鋼梁上鋪冷彎薄壁型鋼C200X60X20X3檁條，檁條兼做建筑吊頂主龍骨，間距1.5m。屋面水平支撐采用張緊φ20mm圓鋼。
    雨棚鋼結(jié)構(gòu)C型鋼檁條材質(zhì)為Q235B，其它鋼材材質(zhì)為Q345B，鑄鋼件材質(zhì)選用德國標準《高焊接性能和韌性的通用鑄鋼件》(DIN17182-1992)中的GS-20Mn5（調(diào)質(zhì)）鋼材。

          圖6 次桁架斷面

3.  結(jié)構(gòu)特點
 

1. 張弦梁由下弦索、上弦梁和豎向腹桿組成，索為受拉、桿為受壓的二力桿，上弦梁為壓彎桿件；
2. 通過拉索的張拉力，使豎腹桿產(chǎn)生向上的分力，導(dǎo)致上弦梁產(chǎn)生與外荷載作用下相反的內(nèi)力和變位，以形成整個張弦梁結(jié)構(gòu)及提高結(jié)構(gòu)剛度，通常情況下下弦索為一向下的折線多邊形；
3. 在預(yù)應(yīng)力及外荷載作用下(指自重等屋面荷載作用下)形成自平衡體系,不產(chǎn)生水平推力；
4. 上弦梁為立體桁架,此時張弦梁便成為帶拉索的桿系張弦立體桁架，可使結(jié)構(gòu)計算及構(gòu)造得到簡化；

4.預(yù)應(yīng)力懸索施工技術(shù)
4.1 技術(shù)準備
4.1.1 制定完善的改造設(shè)計
     改造設(shè)計是為預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工做技術(shù)準備，設(shè)計的要點是制索、掛索和預(yù)應(yīng)力鋼索張拉。
4.1.2 確定預(yù)應(yīng)力施加過程的順序
    對結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力應(yīng)使預(yù)應(yīng)力能夠分布到整個結(jié)構(gòu)，達到預(yù)應(yīng)力的目的。在施加預(yù)應(yīng)力過程中必須和設(shè)計的預(yù)應(yīng)力施加過程一致，對實際施加預(yù)應(yīng)力過程按照幾何非線性進行分析，確定預(yù)應(yīng)力過程的次序、步驟、采用的機械設(shè)備、每次張拉量值，控制結(jié)構(gòu)的形狀變化以適應(yīng)預(yù)應(yīng)力分布相匹配。
4.1.3 確定監(jiān)控指標和參數(shù)
    在每一階段預(yù)應(yīng)力施加過程中，結(jié)構(gòu)加固改造需要一個自適應(yīng)的過程，經(jīng)過自平衡而使應(yīng)力重新分布，形狀隨之改變，必須確定監(jiān)控的指標和參數(shù)，加強預(yù)應(yīng)力施加過程中的監(jiān)控，保證結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)和設(shè)計相符，確保施工安全。
4.1.4 控制其他荷載施加
   結(jié)構(gòu)屋面荷載、懸掛荷載等其他荷載的施加應(yīng)均勻、對稱、勻速，避免出現(xiàn)過大的集中荷載。
4.2 技術(shù)措施
4.2.1 材料的加工、運輸和存儲

1. 1.按照施工圖紙在專業(yè)預(yù)應(yīng)力鋼索廠下料。下料時應(yīng)在每根預(yù)應(yīng)力鋼索的每個張拉端預(yù)留張拉長度，使用砂輪切割機切割，嚴禁使用電焊和氣焊。
2. 2.預(yù)應(yīng)力鋼索及配件在運輸、吊裝過程中避免碰撞和擠壓。
3. 3.預(yù)應(yīng)力鋼索及配件在鋪放使用前，應(yīng)保存在干燥平整的地方，其下設(shè)置墊木、上面采取防雨措施，避免材料銹蝕。
4. 4.禁止砸壓和接觸電氣焊作業(yè)，避免受到損傷。

4.2.2 預(yù)應(yīng)力鋼索的制作
4.2.2.1 調(diào)直和下料
    為了使鋼索受荷后各根鋼絲或各股鋼絞線受力均勻，鋼索的制作時下料長度必須嚴格控制，達到準確、等長；采用“應(yīng)力下料法”將開盤在200-300MPa拉應(yīng)力下的鋼絲或鋼絞線調(diào)直，可消除一些非彈性因素的影響。鋼絲或鋼絞線的號料應(yīng)嚴格控制，制作通長、水平且與索等長的槽道，平行放入鋼索或鋼絞線，使其不相互交叉、扭曲，在槽道定位板處控制索的下料長度。
4.2.2.2 切割和編束
    鋼索切割采用切割機切割，嚴禁采用電弧切割或用氣割，以防損傷鋼絲。
編束應(yīng)采用梳孔板向一方向梳理，同時編扎，每隔1m左右用細鋼絲編排扎緊，不讓鋼絲在束中交互扭壓。編扎成束后形成圓形截面，每隔1m左右再用鐵絲扎緊。
4.2.2.3 預(yù)張拉
    通過預(yù)張拉可以消除索的非彈性變形，保證在使用時的彈性工作。預(yù)張拉在工廠內(nèi)進行，選取鋼絲極限拉力的50-55%為預(yù)張力，持荷時間為0.5-2h。
4.2.2.4 鋼索的防護
    鋼索在防護前對表面處理，認真除污。防護方法有：黃油裹布、塑料涂層、多層液體氯丁橡膠防護、表面油漆、鋼索用套管、內(nèi)灌液體氯丁橡膠、將環(huán)氧樹脂粉末噴于鋼絲上再熱熔、固化形成、外加PE套管等。
4.3 預(yù)應(yīng)力鋼索張拉
4.3.1 張拉設(shè)備
    選用相應(yīng)的千斤頂和配套油泵，并根據(jù)設(shè)計和預(yù)應(yīng)力工藝要求的實際張拉力對千斤頂和油泵進行標定，在實際張拉時根據(jù)標定曲線找到控制張拉力值相對應(yīng)的值，并將其打在相應(yīng)的泵頂標牌上，以方便操作和查驗。
4.3.2 張拉工裝
    本工程張弦梁下弦拉索規(guī)格為Φ5*199，鋼拉桿為D80，鋼拉桿端頭可進行微調(diào)，安裝拉索時將一端螺母旋至中間位置，采用張拉另一端拉索索頭的方式施加預(yù)應(yīng)力，拉索為兩端錨具為冷鑄錨。
在設(shè)備安裝時必須注意使張拉設(shè)備形心和鋼索重合，保證鋼索在張拉過程中不產(chǎn)生偏心受力。
4.3.3 張拉控制
    根據(jù)設(shè)計要求的預(yù)應(yīng)力鋼索張拉控制應(yīng)力取值。
油泵啟動供油正常后開始加壓，當壓力達到鋼索設(shè)計拉力時，超張拉5%左右，停止加壓，完成預(yù)應(yīng)力鋼索張拉。
控制張拉時的給油速度，給油時間不低于0.5min。
4.3.4 測量與監(jiān)控
    為保證預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度和結(jié)構(gòu)在施工期間的安全，并使張拉完成后的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)與設(shè)計相符合，必須對張拉過程中索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的整體變形、鋼索的拉力和鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行監(jiān)測。
4.3.4.1 變形監(jiān)測
    通過全站儀對每榀張拉桁架的上弦主管的跨中位置進行監(jiān)測，可以了解結(jié)構(gòu)的整體變形情況，以保證預(yù)應(yīng)力施工期間結(jié)構(gòu)的安全和預(yù)應(yīng)力施加的質(zhì)量。
4.3.4.2 索力監(jiān)測
      通過安裝在液壓千斤頂油泵上的油壓傳感器讀數(shù)儀，對張拉過程中預(yù)應(yīng)力鋼索拉力進行實時監(jiān)測，以保證預(yù)應(yīng)力鋼索施工完成后的應(yīng)力達到設(shè)計要求。
4.3.4.3 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測
   本工程采用振弦式應(yīng)變計對鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進行監(jiān)測，在第2、5、13、17和20軸桁架上布置監(jiān)測點。
4.4 張拉技術(shù)參數(shù)
    索按設(shè)計圖紙中的軸線進行編號，索的張拉力作為預(yù)應(yīng)力鋼索施工記錄，其中索力偏差按10%取值，施工時實際索力見表1。
表1 實際施工時索力控制表

編號	軸線	索長mm	最終張拉力kN
LS1	①	55607	475+48
LS2	②	58696	645+65
LS3	③	60823	718+72
LS4	④	61980	785+79
LS5	⑤	62135	588+59
LS6	⑥	62135	844+84
LS7	⑦	62135	619+62
LS8	⑧	62135	629+63
LS9	⑨	62135	826+82
LS10	⑩	62135	762+76
LS11	11	62135	792+79
LS12	12	62135	788+79
LS13	13	62135	787+79
LS14	14	62135	794+79
LS15	15	62135	762+76
LS16	16	62135	657+66
LS17	17	62041	812+81
LS18	18	61013	754+75
LS19	19	59030	684+68
LS20	20	56135	496+50

 
5. 結(jié)束語
    徐州火車站無柱風(fēng)雨棚預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程已完工并投入使用。在施工過程中根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的特點，確定了預(yù)應(yīng)力懸索施工作為施工控制的關(guān)鍵點，制定了有針對性的施工方案，并在鋼結(jié)構(gòu)安裝和預(yù)應(yīng)力張拉過程中進行了模擬計算，詳細了解了結(jié)構(gòu)在施工過程中所經(jīng)歷的變形和應(yīng)力分布，順利實現(xiàn)了安全、質(zhì)量、工期等控制目標。
參考文獻

1. 趙建強. 濟南站大跨度鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)雨棚結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 鐵路標準設(shè)計，2006（7）
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