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1、二零一五年九月,中铁建设集团有限公司 China Railway Construction Group Co.Ltd,科技成果评审会,超大跨度悬挑异型钢结构及双层双曲面玻璃幕墙施工成套技术研究,二零一五年十月,中铁建设集团铁路工程总指挥部 课题负责人：韩 锋,1.工程概况 2.重难点分析 3.主要研究内容 4.大跨度悬挑异型钢结构施工全过程力学性能模拟分析及施工方案比选研究 5.大跨度悬挑异型钢结构安装关键技术研究 6.“风-车-梁”耦合振动下的大跨度悬挑异型钢结构卸载技术研究 7.大跨度悬挑异型曲面结构玻璃幕墙安装关键技术研究 8.总结,目 录,宁波铁路南站改建工程主站房为地上三层、地下三层
2、，其中地上二层以上部分为全钢结构，主站房南立面和北立面中央位置各有一个“水滴”造型，自18.4m标高以上为一个整体大桁架，属于高次超静定的大跨度异型曲面空间结构体系。“水滴”造型形似一滴晶莹剔透的水珠，诠释了宁波市“天一生水”的历史文化底蕴，成为整个站房建筑造型的视觉中心、是宁波城市景观方向的汇聚点，也是进站广厅的采光中庭。,1.工程概况,宁波铁路南站的点睛效果“水滴”造型，“悬挑异型钢结构+双曲面点支式玻璃幕墙”实现的。“水滴”造型曲面无固定方程式，凸面和凹面过渡急速，“水滴”外弧线四周的幕墙玻璃绝大部分为不规则的五边形或六边形，因此造成玻璃下料难度大，安装难度也大。,支撑“水滴”钢结构位于
3、标高20.610m39.300m之间，东西跨度66.0m；2号弧梁水平悬挑跨度16.30m，在端部另有5m的悬挑雨棚，空间尺度较大。其中：1号弧梁为15009003050、2号弧梁为12005003060、3号弧梁为16009003060，拉杆20根，撑杆20根，拉（撑）杆与弧形梁呈空间90正交连接，各节点均为焊接；主体结构总重量达450吨。,2.重难点分析,宁波铁路南站改建工程是国内数座桥建合一的站房之一，但是上跨既有营业线施工的特点（主站房整体改建的同时，需确保站房下8#、9#道既有营业线安全运行）在国内外尚属“首例”。“水滴”钢结构悬挑规模大，但是施工涉及到的工况多且复杂，科技含量较高，
4、施工技术难度大。“水滴”钢结构“刚柔并济”的受力特点，给施工带来了“三刚两柔”五大技术难题。,2.1“三刚”主要包括： 2.1.1“水滴”钢结构竖向立柱和横向支架施工大悬挑“水滴”钢结构的结构整体刚度和平面外稳定主要靠位于站房东西两侧的大立柱和横向支架来实现（如图1.3和图1.4所示），竖向立柱为38.000m高1600的钢管混凝土结构、横向支架为长度60.000m、12006003060的箱形钢梁组成。竖向立柱和横向支架既要承受来自水滴钢结构和幕墙玻璃的水平推力，还需承担弯矩和扭力，因此对竖向立柱和支架的刚度和强度要求极高，也随之带来施工总方案优选、构件精确定位等一系列技术难题。,南水滴竖向
5、立柱节点图,南水滴竖向立柱和支架侧视照片,2.1.2“水滴”钢结构中三根弧梁与斜向撑拉杆的焊接成型外悬挑结构自身的刚度对整体结构稳定性而言尤为重要。该结构具有“刚柔并济”的设计特点，也就是，既要实现结构在外界因素（如列车振动、风荷载振动等）下的适当变形，又要避免其在上述外界因素下的“共振”。通常，合适的结构柔度由设计来实现，而结构刚度则由施工技术来保证。一般，不同的安装顺序对构件应力重分布、刚度变化特性不同，加之宁波属于典型软土地基的特点，因此也带来了安装顺序优化、厚板焊接、软土地基吊装等一系列技术难题。,北水滴弧梁和撑拉杆,北水滴弧梁和撑拉杆节点,2.1.3“水滴”玻璃幕墙的龙骨（支架）优化
6、设计和施工玻璃幕墙龙骨（支架）作为次要构件，对于适当增大体系刚度、减轻结构自重具有十分重要的意义。如何在结构重量和刚度之间找到一个平衡点，同时兼顾玻璃下料和安装的技术要求，则需要通过幕墙龙骨的优化设计和施工来实现。也就带来了大跨度异型曲面玻璃幕墙的龙骨（支架）优化设计和施工质量控制的技术难题。,南水滴幕墙龙骨照片,南水滴幕墙玻璃即龙骨照片,2.2“两柔”主要包括： 2.2.1 考虑“风-车-梁”耦合振动的“水滴”钢结构卸载被专家认定为国内影响因素最多、过程最不确定、难度最大的悬挑钢结构卸载。卸载过程是“水滴”钢结构由设计状态过渡到施工状态的最关键环节，但南“水滴”钢结构在卸载时，要持续经历过路
7、列车的振动影响，卸载中途经历1次台风“菲特”影响，卸载难度非常大，安装完成以后要常年经受台风的考验。,2.2.2适应“风-车-梁”耦合振动的“水滴”玻璃幕墙安装由于宁波濒临东海，南“水滴”结构常年面临三级东南风的影响，加之玻璃幕墙安装持续经历过路列车的振动影响，如何克服安装过程中的风振、列车致振，如何确保“水滴”幕墙成型后适应“风-车-梁”耦合振动、适当柔度变形，不致产生玻璃被挤碎或耐候胶被撕裂等后果是另一个技术难题。 因为上述诸多施工重难点的存在，成为制约宁波南站改建工程点睛之笔“水滴”顺利施工的关键性要素，也随之带来宁波南站改建工程巨型悬挑“水滴”状双曲面玻璃幕墙施工技术的研究。,3.1
8、大跨度悬挑异型钢结构施工全过程的力学性能模拟分析及施工方案比选研究 3.2 大跨度悬挑异型钢结构安装关键技术研究 3.3 “风-车-梁”耦合振动下的大跨度悬挑异型钢结构卸载技术研究 3.4 大跨度悬挑异型曲面结构玻璃幕墙安装关键技术研究 （注：鉴于南“水滴”的施工环境比北“水滴”复杂得多（如东南季风影响、南侧既有线列车振动等），技术难度更大，因此如无特别说明，后文的研究对象均为南“水滴”钢结构及其幕墙结构，特此说明。）,3.主要研究内容,“水滴”钢结构由3段大弧梁、20根撑杆和20根拉杆呈空间90正交焊接而成，相邻撑（拉）杆的水平面和立面投影两两平行，属于高次超静定的异型曲面空间结构体系（如图
9、2.1所示），施工应力传递路径不明确。我公司也是首次遇到该类体系施工，同时经国内外文献检索，也未见相似工程的有关报道，因此无直接的施工资料和施工经验可供参考。,图2.1 南“水滴”钢结构三维模型,4 大跨度悬挑异型钢结构施工全过程的力学性能模拟分析及施工方案比选研究,高次超静定的异型曲面空间结构体系对安装误差、施工荷载、外部环境（如温度或风荷载）等十分敏感，不同的安装顺序对关键构件（截面）的应力重分布、挠度变形、体系刚度变化等影响较大。因此有必要整个“水滴”施工过程分为若干个主要阶段、初步选定13种安装和卸载顺序方案，分别采用大型有限元软件（ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等）对上述1
10、3种方案进行逐段安装和卸载模拟、分析“水滴”钢结构在整个施工过程中的刚度、应力、变形等变化情况，探讨该型体系在施工过程中的加载（安装）应力传递特征、变形影响因素，得出最佳安装顺序下关键截面的“应力增量-变形增量”二者的关系曲线，优选出最佳的施工顺序方案、编制适合本工程的安装技术方案。,4.1 大跨度悬挑异型钢结构安装方案全过程模拟和方案比选,4.1.1 根据结构设计特点和现场施工条件，课题组提出如下三种安装顺序方案,课题组在对上述3种方案进行定性和定量分析的基础上，确定了“应力传递路径明确度、变形控制难易度、施工安全风险度、施工过程的结构稳定性、安装难易度、成本造价”等六个指标进行对比，汇总如
11、表2.7所示。 表2.7 方案比选表,综合分析得出：方案三为最佳方案！,4.1.2 最佳方案施工技术理论问题的进一步研究,针对最佳方案（方案三）进行有关施工技术的进一步理论研究，重点分析“水滴”钢结构在整个施工过程中的刚度、应力、变形等变化情况，探讨该型体系在施工过程中的加载应力传递特征、变形影响因素，得出最佳施工方案（方案三）关键点的“应力增量-变形增量”二者的关系曲线，从而为编制适合本工程的安装技术方案和卸载监测方案（详见第四章）提供理论依据，并为今后类似工程的施工提供理论指导。 对南“水滴”采用大型通用软件NASTRAN、SHELL单元进行有限元分析，考虑1%的安装误差、三级东南风荷载的
12、影响。,1) 考虑外部因素的最佳方案应力分析,最后当安装撑拉杆时，由于撑拉杆使得整个结构形成一个完整体，同时会承担上弧形梁施加给结构的压力，所以使得整个结构的应力值略微降低，有利于应力的二次重分布。,提取3号弧形梁的中间部位（单元编号：191511）的应力和变形值，发现随着结构体系逐步安装成型、191511单元的应力值和变形值逐渐减小，这与总体方案的分析结果基本一致。,2) 考虑外部因素的最佳安装方案变形分析,3) 考虑外部因素的最佳方案“应变-位移增量”曲线,考虑1%的安装误差、三级东南风荷载等外部因素影响，将南“水滴”钢结构（含支架）各安装步骤的最大应力-最大位移值绘制成增量变化曲线，如图
13、所示。,从图中可以看出，该曲线类似“低碳钢的拉伸曲线”，在应力140Mpa范围内“应变-位移”呈现一次曲线关系，140160Mpa范围内位移值陡然，当应力值达到160Mpa后，位移值逐渐下降。 “应变-位移增量”曲线的得出，有利于从整体上对“水滴”钢结构安装应力和位移变化规律的掌握；通过安装过程中对“水滴”钢结构关键截面的应力和变形的监测，预测整体结构下一步的变化趋势。,4) 南“水滴”结构成型后的刚度曲线,从南“水滴”钢结构的刚度曲线可以看出，X-Z平面（Y方向）刚度值的刚度非常大（数量级为106），这对于承受外部环境荷载非常有利。另外，X方向和Z方向上的刚度也比较大。“水滴”刚度的计算结果
14、显示，整个“水滴”钢结构模型的刚度满足设计和施工要求。,4.2 大跨度悬挑异型钢结构卸载方案全过程模拟和方案比选,4.2.1 提出四种卸载方案,针对最佳安装方案，须搭设临时支架。“水滴”支架搭设在-0.15m楼板上，需搭设8个支架。每个支架高度是31.33m，支架拟采用QTZ80(5810)塔吊标准节。,临时支架搭设示意图,待“水滴”钢结构全部安装完毕后，须拆除临时支架（即为“卸载”）。不同的卸载顺序，对“水滴”钢结构应力、变形的影响不同，何种卸载方式最为有利，这需要在正式卸载前进行全面分析。,4.2.2 方案一卸载全过程模拟,课题组在对上述4种卸载方案进行定性和定量分析的基础上，确定了“应力
15、是否超限、变形是否超限、卸载安全风险度、构件失稳风险、卸载难易度、成本造价”等六个指标进行对比,4.2.3 卸载方案比选,方案比选表,综合分析得出：方案二为最佳方案！,5.大跨度悬挑异型钢结构安装关键技术研究,5.1基于BIM技术的“水滴”钢结构安装技术方案优化 南“水滴”钢结构2号弧梁采用临时支架支撑，支架搭设采用100t履带吊分段吊装的方式，吊车站车位置为AB/1-21-5轴9.85m楼板上。屋面弧形拱梁分段如下图所示。,1号弧形梁分段,2号弧形梁分段,3号弧形梁分段,采用BIM软件（Sketch Up）进行最佳方案的细化设计，得出如表3.1所示的最佳安装方案示意图,基于BIM的“水滴”钢
16、结构最佳安装技术方案,5.2考虑截面弯扭效应的厚板焊接技术研究,运用焊接有限元专用分析软件SYSWELD建立“水滴”钢结构的厚板焊接有限元模型。该“水滴”模型考虑了8个临时支架的支撑作用（竖向约束），结构设计中因自重产生的弯扭效果由软件自动生成，同时考虑吊装施工、冲击荷载等外部因素，在构件上施加2.0e4 Nmm扭矩。,考虑弯扭效应的“水滴”厚板焊接应力云图,考虑弯扭效应的“水滴”厚板焊接扭转变形云图,从图可以发现，2号弧梁合拢端焊接时，在焊接位置出现明显的应力集中现象，但因焊接产生的扭转变形不是很明显。,5.3 考虑弯扭效应的“水滴”钢结构Q345B厚板焊接工艺,在前述理论分析的基础上，通过5组60mm厚Q345B焊板试验，结合本工程现场条件，经专家多次讨论确定如下Q345B厚板焊接工艺。 （1）焊材选择 CO2焊丝选择1.2的ER50-6； 埋弧焊选择的焊丝与焊剂：SJ101-H10Mn2（H08MnA），SJ101使用前应经300烘焙2小时。 （2）焊接坡口,钢板对
