大跨度悬垂梁及预应力斜拉索施工技术总结

北京南站改扩建工程

大跨度悬垂梁及预应力斜拉索施工技术

应用技术总结

张建设袁振兴史兰明张力光

1. 应用情况简介

北京南站站房东、西两侧设有无站台柱雨篷，结构形式为大跨度钢结构轻质屋面，建筑设计成扇贝造型。雨篷结构主要包括支承于轨道层-1.600m标高的A字型塔架柱及其所支撑的屋面环梁、主梁、次梁及支撑等上部结构两部分。屋面主梁设计为悬垂下弯曲线形工字钢梁（以下简称悬垂主梁），截面形式为600×350×10×20mm、450×200×8×12mm（构件主要材质Q345C），东、西雨篷区对称布置，共计188根。每三根悬垂主梁组成一个结构单元，间距为6866mm，中间设有H型钢次梁及圆管支撑。悬垂主梁设计最小跨度为9772mm，最大跨度为67500mm，设计最大下垂高度为6464mm，单榀最大重量为10.5吨。

每榀悬垂主梁通过其两端的耳板与A字型塔架柱上的耳板及其前后环梁上的耳板用销轴铰接相连，将内、外、中A字型塔架柱和环梁连为一个整体，形成一个完整的屋面。悬垂主梁下部设有预应力拉索，以抵抗向上的风荷载。雨篷屋面结构单元详见图1所示：

图1：雨篷屋面结构单元图

悬垂主梁与A字型塔架柱、环梁连接节点图如图2、3所示：

图2：主梁与A字型塔架连接节点图3：主梁与环梁连接节

点

预应力斜拉索根据悬垂主梁结构单元，将东、西雨篷分别划分为15榀预应力钢结构桁架，两区沿轴线对称布置。全部30榀桁架均为两跨，每跨配置12至24根钢拉索。索体采用两种规格，一种规格强度等级为1570MPa的6×37+1WS钢丝绳，直径22mm，

外包26mmPE 护层，最小破断力为217.8KN ；另一种规格强度等级为1670MPa 的 6×37+1WS 钢丝绳，直径32mm ，外包37mmPE 护层，最小破断力为490KN 。拉索一端为固定端，销接在悬垂主梁拉索连接板上，一端为调节端，销接在A 塔拉索耳板上 ，调节范围±150mm ，最大索长为29185mm 。在每榀悬垂主梁下翼缘上设计有4－8根拉索。拉索及悬垂主梁结构大样见图4示： 拉索拉索拉索A塔

A塔A塔拉索

悬垂主梁悬垂主梁

图4：拉索及悬垂主梁结构大样

图5：雨篷悬垂主梁及斜拉索平面布置图

2．雨篷悬垂主梁及斜拉索设计原理

北京南站雨篷结构屋面设计建筑造型为双曲面，屋面各类荷载通过H型钢悬垂主梁传递到主桁架上，再通过主桁架经A字型塔柱传递到混凝土基础上，为了确保建筑造型和结构受力，将雨篷结构主梁设计为高度600及450mm的悬垂曲线形工字钢（以下简称为悬垂主梁）。当自重、雪荷载、向下风荷载等来自屋面的向下荷载作用时，由于工字钢梁的跨度很大而截面高度很小，它的抗弯刚度非常小，发挥不出其抗弯性能，所以仅利用工字钢的抗拉刚度，使其像拉索一样以拉力来承受荷载；当向上风荷载作用时，则利用悬垂工字钢的抗弯刚度，以拱的形态来承担荷载。为了使悬垂工字钢梁能最有效的发挥其拱形作用，在工字钢和A型框架柱之间安装了斜拉索，减小其计算长度，以确保其平面内的稳定性来支承向上荷载的能力。斜拉索用来稳固工字钢梁，不会直接承受向上的荷载，所以它只有较小的拉力，直径很小，不会对站内景观造成任何影响。

3．雨篷悬垂主梁及斜拉索结构施工的关键技术及创新点

3.1悬垂主梁及斜拉索施工流程及技术要点

悬垂梁及斜拉索施工总体流程：根据雨篷钢结构设计情况，对每根钢梁进行放样，根据每个悬垂主梁的实际长度，在工厂将每根悬垂主梁分为4-6个制作分段，方便构件的运输；制作分段运输到安装现场后在地面拼装为2～3个吊装段进行分段吊装；在对应悬垂主梁对接口处设置临时支撑，并在临时支撑顶部设置高空作业平台，对悬垂主梁接头进行高空焊接；吊装次梁及支撑等次结构；在每个区域屋顶结构全部安装、焊接完成之后再拆除支撑，并做好结构位移变形检测，最后分区域安装预应力拉索并逐根进行张拉。

因此为使本工程达到设计质量要求，根据结构特点，确定本工程技术要点及措施如下：①将悬垂梁进行分段吊装，在分段对接口处设

置临时支撑来控制对接口处标高；在临时支撑下部设置路基箱，使其稳定且避免支撑托架受力后沉降，以保证悬垂梁下沉量在设计之内②悬垂梁空中对接、定位及焊接质量：在高空定位拼接平台顶部设置定位板，以利于荷载分散及悬垂梁分段点处的对接质量；确定合理的焊接顺序，避免焊接应力的集中，保证焊接质量。③以雨篷屋面设计的伸缩缝为界，将东西雨篷桁架分为六个分区，张拉施工以桁架为单位各自北向南逐榀张拉，各分区各桁架张拉时间的先后对其他分区和桁架均不产生影响。④拉索索力及结构位移双控：张拉过程中，采用索力动侧仪检测拉索索力，全站仪同步监测结构位移，检测数据相互校核，保证张拉质量。

3.2悬垂主梁重点及难点施工技术

3.2.1悬垂主梁地面拼装

悬垂主梁为弧形且跨度大，为便于加工制作、安装，根据每根悬垂梁的长度，将每根梁分为几个分段加工制作，运输到安装现场后在地面拼装为2～3个吊装段进行分段吊装。

图6：悬垂梁吊装分段拆分图

图7：悬垂主梁地面拼装

3.2.2临时支撑托架布置

在每个吊装分段的接口部位根据接口处位置悬垂主梁的控制标高设置临时支撑托架，此临时支撑托架作为吊装时的支撑及悬垂主梁的高空定位拼接平台。临时支撑托架采用钢管格构柱。在施工过程中对临时支撑托架应进行相应的工况、变形及承载验算，以确保施工的安全。

图8：临时支撑托架布置示意图

主梁最大分段重量约为6.0t，故设置胎架应在其胎架上端设置端头定位钢板，以利于荷载分散及悬垂主梁此分段点处标高的控制。具体见图9：

图9：临时支撑托架顶部构造

临时支撑托架底部与基面连接形式：施工中为尽可能减小支撑沉降对结构的影响，在支撑格构柱下端垫设比支撑截面稍大的柱脚钢板并用钢楔将制成与地面垫实。

图10：临时支撑托架底部构造