南宁东站位于广西南宁市, 为南广高铁、广西沿海城际铁路与柳南城际铁路的交汇点, 是广西建设体量和旅客运输能力最大的大型高铁车站, 总建筑面积267 471m² (见图1) 。东站钢结构工程由站房钢结构和雨篷钢结构2部分组成, 总用钢量约20 845t。车站站房为钢筋混凝土框架结构, 站房屋盖采用钢管网架结构。网格单元主要为正交正放四角锥单元, 整体钢结构屋面平面最大尺寸为210m×438m, 典型网格尺寸为4.8m×4.2m, 高3.6~7m。按伸缩缝将整个钢屋盖分为A, B, C 3个提升区域 (见图2) 。A, C区网架分别重约1 700t, B区网架总重约2 500t。提升高度在20~40m。

南宁东站钢屋盖提升采用分单元累积提升和跨中预应力索张拉技术。对钢屋盖进行全过程施工模拟分析, 优化卸载工序, 减小钢管混凝土柱在施工中的过度变形, 提高施工质量, 满足设计要求。

钢屋盖分单元提升示意如图3所示。网架低跨部分单元1和高跨部分单元2均先在地面进行整体拼装, 单元2的胎架高度>9m, 稳定性差, 临时措施量多。因此, 采用了分单元累积提升施工法, 即先将单元2提升约9m, 与边跨单元1对接, 然后整体提升单元1+单元2。累积提升施工法对现场拼装的要求较低, 减少高空作业量, 安全性较好, 安装焊接质量易保证, 临时措施量也较少。

南宁东站的钢屋盖网架与立柱为刚接, 跨中结构呈拱形, 与立柱共同受力, 下挠较小。提升施工中, 网架吊点处只有竖向约束, 水平向释放, 拱作用消失, 网架最大下挠约400mm, 超过了规范要求。预应力拉索设置如图4所示。

网架提升时, 在下弦下方两吊点之间设置拉索。提升作业时, 与提升器同步加载, 以降低跨中的下挠度, 减小下弦杆件的应力比。实施中, 拉索的最大拉力约1 580k N。

张拉索采用油缸预张紧, 地锚锁紧。油缸置于拉索吊笼中, 端部通过耳板与下吊点销轴连接。油缸的另一端通过钢绞线与拉索吊具连接。拉索吊具通过耳板与另一端的下吊点销轴连接。吊笼、吊具的材质为Q345B (见图5) 。

根据钢网架的拱形结构特征, 在单元2端部吊点设置预应力拉索, 使单元2反拱, 同时也可减小单元2上、下弦的轴力。采取此方法, 钢网架的下挠减小为145mm, 减小了60%, 满足了规范要求。

南宁东站钢屋盖B区整体提升分析中, 钢管混凝土柱顶水平位移约60mm, 与监测结果基本一致。如按常规的卸载就位法, 卸载后, 钢管柱荷载无偏心距, 柱顶位移恢复, 钢屋盖网架被动水平加载, 网架局部杆件应力可能会增加。因此, 首先分析提升工况下钢管柱顶的水平位移量;其次, 分析此水平位移量下的被动加载水平力对网架的影响;最后, 优化卸载顺序, 将卸载施工对屋盖结构的影响降低到最小。

按不同的钢绞线净空, 计算钢管柱的柱顶位移。

为简化分析, 用钢管模拟钢绞线, 将其抗弯刚度减小, 以较准确地模拟钢绞线只受拉不受弯的特性。钢管柱柱顶在不同提升高度下的水平位移如表1所示。

由表1可知, 随着提升高度的增加, 钢管混凝土柱顶水平位移呈加速减小趋势, 越接近就位高度, 水平位移减小量越多。提升到位后, 柱顶水平位移约23mm。

在提升就位前, 竖向偏心荷载作用下的柱顶水平位移23mm。卸载完成后, 钢管混凝土柱对网架存在水平作用力, 大小对应于23mm柱顶变形量。

钢管柱的提升竖向荷载P=2 395k N。

竖向偏心荷载产生的柱顶水平位移S₁为:

柱顶水平荷载F作用下产生的柱顶水平位移S₂为:

由S₁=S₂得, F=0.027 7P=66k N, 即在柱顶施加的水平荷载为竖向偏心荷载的2.77%, 即最大水平力为66k N。

在两钢管混凝土柱间的网架部分施加66k N轴向力, 网架的杆件应力增加有限。按网架管桁架上弦 (2根钢管) 杆件截面为18号钢管 (φ245×10) , 增加的内应力约为5MPa, 增加的应力值较小。因此, 钢管混凝土柱顶23mm的水平位移对网架的影响较小。

提升工况中, 钢管立柱的柱顶位移为23mm。为了减小卸载对钢屋盖的杆件应力的增加值, 应优化卸载工序, 尽量减小柱顶的位移量。本工程采取先中柱后边柱的卸载工序, 柱顶位移可减小约25%。

卸载工序如下:安装14轴线柱的后补杆件, 卸载17轴线柱顶的提升器→安装⑨轴线柱的后补杆件, 卸载17轴线柱顶的提升器→卸载张拉拉索→安装⑨轴线、22轴线柱的后补杆件, 卸载两轴线上的提升器。

B区柱轴线如图6所示, 每个施工步的柱顶位移结果如表2所示, 定义14轴线与线交汇处为。

由上述分析, 采用先瑏瑤轴卸载后瑏瑧轴卸载的施工方法, 柱顶位移减小量很少, 约2mm;在拉索卸载后, 柱顶位移有3.7~5.3mm的变化。此卸载方案, 柱顶水平位移可减小25%, 6~7mm, 可改善提升施工对钢屋盖网架的受力。

通过采用水平预张索、先中间后两端的卸载工序, 满足了分单元累积提升的技术要求。采用此施工工艺, 网架跨中部分也在地面500m高度拼装, 可减小临时措施量约100t;可降低工人的高空作业, 安全性较好, 人工成本也大大降低;可加快施工进度, 至少缩短1个月的时间, 满足了总包的工期要求。