1.前言
大跨度钢结构近年来在国内发展迅速，主要应用于大型厂（库）房、飞机机库、火车站、大型场馆等跨度要求较高的建筑，如图1。主要采用焊接球网架、钢桁架、重型钢结构相结合的结构形式。针对不同的结构形式，如何采用更加科学的施工方法，对大跨度钢屋盖结构的施工质量、安全、进度以及施工成本的有效控制在现阶段显得尤为重要。
2.工程概况
新建北京至石家庄铁路客运专线石家庄站站房钢结构工程，主站房总长413m（A-Y轴），宽202m（M1-M16轴）。支撑体系为6榀连续拱桥结构，拱桥跨度分别为49.6m、53.5m 、64.35m、76.5m、64.35m、53.5m、49.6m，拱身的矢高均为17m；所有组成拱桥结构支撑体系的拱身、拱肋、横梁等构件形式均为箱型钢构件，具体参下表，参见图2。
屋盖结构主要为“倒三角”形式的管桁架，主桁架垂直于下部拱桥布置，连接6榀拱桥结构，形成5跨连续空间管桁架体系，每榀主桁架总长度为202m，最大单榀桁架跨度60m，见图3。
3.施工重点难点分析及相应对策
3.1.确保既有线运行安全
新建石家庄站站房工程施工过程中，京广铁路上下行线照常运行，如何确保既有线路和后期拨线运行线路的安全，是钢结构安装工程控制的重点，同时也是一个十分棘手的施工难点。
对策：在钢结构安装初期，在运行线路上方搭设安全防护棚，安全防护棚从站房向南北无柱雨棚内延伸30m，尽量减少高架层上吊装对既有线路的影响；
在吊装临边钢结构拱桥时（M1和M16轴），将吊装前的所有准备工作准备就绪，并利用现场机械进行空载模拟吊装，与建设指挥部沟通，选择白天既有线路上没有列车通过的时间段(最长无车时段为2个小时)进行吊装作业。
3.2.拱桥结构安装、桁架安装
站房总长413m，宽202m，高架层标高9.4-9.8m，高架层下方轨道施工与装修施工同时进行。因此，高架层上钢结构拱桥、立柱、横梁、桁架安装是本工程控制的重点，同时施工方法及机械选择也是施工难点。
对策：选择最不利工况分别进行机械在吊装不同构件过程中的模拟计算，经过计算后满足高架层混凝土结构所承受荷载要求。将50T履带吊吊至高架层上进行吊装作业，采用铺设路基箱的安全措施并按规定线路行驶施工。（前提是楼面预应力张拉完成）
高架层构件吊装时，根据构件的不同位置、不同重量、不同形式，分别采用单机或双击抬吊作业施工。拱桥构件利用XSTEEL软件计算出构件的重心，设置吊点并选择合理的吊索具，25T以上的构件须采用双机抬吊；采用单机吊装是，计算出钢丝绳的长度，以便安装就位顺利。
桁架吊装前，利用MIDAS有限元计算软件，根据每榀桁架的不同跨度、不同吊装方法、不同规格重量以及后期预估的施工荷载，计算出桁架的位移值，根据位移值和相关经验进行桁架拼装预起拱，以防止桁架吊装后下挠或挠度过大。
3.3.工期控制
站房钢结构施工过程中，既有线路正常运营，并经过春运、暑运等特殊运营时期。为确保正常运营并满足春、暑运运力，本工程的既有线路有两次拨线的时间窗口。为确保拨线顺利，高架层结构施工、高架层既有线上方钢结构施工的施工工期控制也是重中之重。
对策：高架层上拱桥结构施工所必备的履带吊、胎架工装、支撑标准节必须提前安排好，并合理布置高架层施工平面平台，预留大型构件水平运输通道、履带吊行走吊装通道、桁架拼装场地等。履带吊的吊次需满足安装需要。
在高架层上施工，构件的水平运输是制约构件安装进度的关键，因此需要地面上150T履带吊向高架层送料，利用卷扬机和滑轮组通过滑移轨道将构件滑移至安装区域，由于每台履带吊作业需要2x6m的路基箱8块，作业占地范围较大，且行走需要倒运路基箱，行走作业距离较短且相对较慢，6道拱桥安排6台50T履带吊在高架层，远不能满足吊次需要。为此，为本工程特别定制了两台ME-40T-55.35m的龙门吊，龙门吊横跨M3-M7和M10-M14轴线，为构件水平运输和吊装作业提供了有力的支持。
4.施工方案的实施
4.1工程实际概况
根据铁路局和建设指挥部拨线安排，在高架层混凝土结构施工完成以前，原京广上行线要拨线至29道，为此，现场为29道开通搭设了刚性防护结构，用于满足上部混凝土结构和高架层钢结构施工要求，站房南北两侧无柱雨棚已经施工完成，29道于2011年1月顺利开通如图4、5。
为了工程整体部署，安排将京广上、下行线于6月中旬全部拨至25-28道。为此，需要在2个月内将临近既有线的钢结构全部吊装完毕。
4.2施工准备
4.2.1.拱桥结构分段设计
所有组成拱墙结构的拱身、拱上钢柱（拱肋）、横梁等构件均为箱型钢构件，以W-T轴拱桥分段为例：拱身分为6段，最重构件32.1t；立柱共计22段，最重构件9.35t；横梁共计6段，重10.7t，如下图6所示。
4.2.2.拱桥吊装施工机械选择布置
（1）、M1、M16边跨拱桥结构（临近既有线施工）机械选择布置：
第1段、第2段拱身及其上方立柱横梁选用150t履带，42m主臂工况进行吊装作业，吊装回转半径14m，14m回转半径150t履带额定吊装荷载为40.9t，最重构件吊重27.6t，满足吊装安全要求，吊装工况见图7、8。
因29道上方雨棚网壳已经安装完毕，不具备跨外吊装条件，故采用两台50t履带在高架层楼板上进行双机抬吊第3段、第4段，双机抬吊选用50t履带25m主臂工况，双机回转半径控制在6m，双机额定最大起重量之和为46.46t，按降效80%计算，起重能力为37.17t，满足吊装安全要求，如图9~12。
50t履带单机吊装第5段、第6段，25m主臂工况5.5m回转半径额定最大起重量为26.56t；
T-W轴拱墙立柱及横梁吊装单元最重构件为13.3t，立柱与其连接的屋面桁架杆件拼装成整体吊装，选用50t履带在高架层楼板上单机吊装，选用37米主臂工况，回转半径8m，额定起重能力14.9t。
（2）、M2-M15轴线中间跨拱桥结构机械选择布置：
M2-M15轴拱墙不具备跨外吊装条件，故采用两台50t履带在高架层楼板上进行双机抬吊W-T拱身（第4段、第5段、第6段）和S-R拱身（第3段），双机抬吊选用50t履带25m主臂工况，双机回转半径控制在6m，双机额定最大起重量之和为46.46t，按降效80%计算，起重能力为37.17t，满足吊装安全要求，如图13~14。
4.2.3.拱墙安装支撑系统设计
（1）、临近既有线拱桥结构支撑设计
每榀拱墙在安装过程中，均需在拱身分段处增加临时刚性支撑节，如图15~19。并在设置两组侧向双支撑，保证吊装和就位后的竖向及侧向稳定。标准节在场外拼成一段，使用塔吊整体吊装。
（2）、非临近既有线拱桥结构支撑设计
4.2.4.构件水平运输做法
由于站房拱墙构件单体较重，塔吊无法满足现场构件水平运输要求。为确保高架层M3-M14轴线拱身构件顺利运输至安装位置，现场采用滑移的施工方法，在指定位置铺设轨道，轨道内使用4组移运器，利用卷扬机作为牵引装置进行构件的单体滑移，如图20。
9.4m高架层平台与9.8m平台过渡做法参照图20；9.8m平台轨道直接将【36a槽钢铺设在楼面上，下方铺设脚手板以保护楼面并增大受力面积，为防止轨道发生侧向位移，将轨道之间做好支撑并与楼面上的地锚做好加固。
当构件滑移无法就位到起吊位置时，构件在高架层楼板上的水平运输选用50t履带单机吊装或双击抬吊向内侧转臂倒运构件，并要求在水平运输过程中50t履带必须空载行走，构件倒运时保证构件最低点距高架层楼板30cm以内；
4.3拱桥安装方法及流程
4.3.1拱桥结构拱身预拼装
在宽阔平整的场地上，按1:1比例测放拱桥结构轴线、轮廓线和分段口控制线，按照轴线的形状布置钢胎架或钢马凳、钢胎架上表面要经过超平观测；根据测放的控制线将拱桥按分段顺序在地面进行预拼装见图21，预拼装过程中要注意观察胎架的变化并及时纠偏。
预拼装完成后，检查预拼总体情况，着重检查对接接口情况，对拱身外形尺寸、弦高、对接接口间隙等进行验收并记录，在拱身对接接口处做好标记，以便拱身吊装就位时尺寸控制。
4.3.2拱脚结构安装
高架层混凝土结构强度达到75%后，即可以开始安装拱脚结构；拱脚单体分段重量不超过10t，50t履带吊在高架层满足施工要求，如图22；（此时混凝土结构支撑未拆除，预应力未张拉）
4.3.3支撑体系安装
标准节安装就位时用缆风绳拉结，以保证侧向稳定；使用L75×6角钢刚性连接两道竖向支撑与侧向支撑，形成三角形稳定支撑体系；每组支撑节间用【12.6槽钢水平拉结，见图23~25。
流程2：用150t履带吊装第2段拱身、50t履带单机吊装第5段拱身；
安全措施：高架层混凝土浇筑完强度达到80%以上履带开始在高架层作业，50t履带楼板上作业铺设路基箱；高架层混凝土浇筑完毕后在29道正上方放线，保证履带在钢防护两侧吊装作业，29道上方履带空载通过；见图26~27。
流程3：用两台50t履带双机抬吊第4段拱身；
流程4：用两台50t履带双机抬吊第3段拱身,整体拱身合拢安装完毕；
第3段、第4段安装安全措施：
构件吊装：将构件运输到指定位置，构件起钩过程中，始终保证构件与侧向支撑间距在10cm以内，并在构件端部安置安全绳，保证在构件吊装过程中的侧向稳定，起升就位后将构件水平向前送到位，在其下方为竖向支撑结构，外侧仍为侧向支撑，保证构件的侧向和竖向安全；见图28~29。
在构件正下方楼板满铺路基箱，避免坠落击穿楼板。
流程5：焊接，拱身共计7个焊接接口，采取对称跳焊的原则，第一次先焊接①③⑤⑦节点对接焊缝，第二次焊接②⑥节点对接焊缝，最后焊接④节点对接焊缝。
安全措施：焊接作业面用脚手架搭设封闭的焊接操作平台，起到防风、防止焊渣飞溅、防火的作用。另外，也为防止焊接火花过大给通过列车造成影响，使列车司机误认为是危险信号；
为控制焊接变形见图30，拱身焊接采用2人2机同时对称焊接的方法进行箱型构件的焊接，同一构件的两个端接口不得同时焊接；
流程6：用150t履带吊装①-⑥段立柱，50t履带单机吊装其余立柱。将立柱与其连接的屋面桁架杆件拼装成为一体，整体吊装；见图31~32.
流程7：用50t履带单机吊装横梁，第2-5段横梁与立柱拼成整体吊装；
4.3.5拱桥结构安装龙门吊的使用
为满足高架层上拱桥结构吊次要求，以解决履带吊行走缓慢、行走需要倒运路基箱、施工作业占地面积过大、吊次不满足、水平运输麻烦等问题，根据本工程结构特点，特别为本工程定制了两台ME-40T-55.35m型号的龙门吊，两台龙门吊可横跨M3-M7和M10-M14轴线，最大单机起重能力40吨，满足四道拱桥结构施工和两跨桁架吊装施工；见图32~34。
由于龙门吊跨度55.35m，自身高度31m，在高架层上安装难度和安装周期较长，在本工程前期的高架层钢结构安装过程中，由于涉及京广线拨线的时间窗口，龙门吊暂时未安装，待拨线后，龙门吊经过组拼安装、穿线、调试、试吊验收等环节后，迅速投入到结构安装中去，极大的缓解了高架层结构安装进度慢的压力。
4.3.6拱桥结构卸载
待单跨拱桥所有杆件及合拢点接口焊缝全部焊接并探伤合格后，提前24小时申请报验，验收合格后进行支撑卸载。
卸载采用分级卸载，卸载原则：同步、分级、缓慢；
（1）载卸
焊接完毕检测合格后，拆除接口处高强度螺栓，在竖向支撑下方分别设置4台50吨千斤将拱身顶紧，将支撑工装与拱身连接部分切开，使由工装承受荷载转为由千斤顶承受荷载，并将工装影响卸载的部分全部切除，参图35~36.
（2）卸载过程测量监控
卸载顺序：②-⑥-③-⑤-④，如下图：
卸载时，需用全站仪全程进行跟踪；在卸载前，布置测量监控点，监控点主要选在卸载点、拱墙中心、拱身拼接接口处，在确定的监控点上贴反光片，并记录相对空间坐标，在卸载过程中，随时观测各个监控点的位移变化情况。
卸载千斤，拱墙卸载完毕，最后拆除千斤顶、工装及竖向支撑。
经过实际监测：53.5m跨度的拱桥卸载前后，Z向位移最大值为-3mm，现场所有拱桥设计要求拱中心起拱30mm；
4.4屋面桁架安装
对每一榀桁架按照其自重和预加施工荷载进行挠度计算，根据计算值并不同的安装方法以及类似施工经验，在桁架小拼和中拼过程中进行预起拱，预起拱值的确定需与设计沟通并最终确定。
站房高架层的屋面桁架全部为“倒三角”形式的桁架，最大跨度60m，最小跨度16m，桁架的安装标高为34.2m，相对于高架层安装高度为24.4-24.8m。
根据桁架的不同位置、不同跨度、不同重量，桁架吊装采用50T履带单机吊装、50t履带双机抬吊、龙门吊单机吊装等多种方法，采用任何机械和吊装形式，每榀桁架最好都设置4个吊点，吊点位置须在节点位置；见图37。
4.5结构安装相关计算
结构安装的每一步都离不开安装工况计算，工况计算满足要求是结构安装的有力保证。本工程针对不同安装工序、步骤进行了多方面的工况计算，主要如下：
1）拱桥结构安装模拟计算；（第一吊至合拢结束）
2）拱上钢柱、横梁安装模拟计算；
3）拱桥结构卸载计算；
4）高架层支撑加固计算；
5）高架层满堂红支撑验算；（取履带吊、龙门吊施工最不利工况，未考虑预应力张拉）
6）高架层无支撑验算；（取履带吊、龙门吊施工最不利工况，考虑预应力张拉）
7）屋面钢桁架挠度计算；（确定预起拱值）
5.结论
通过以上施工技术、措施的应用，保证了临近既有线钢结构施工安全无事故，确保了京广正线按期顺利拨线；拱桥施工中的支撑体系为我公司自有物资，在本工程中被充分利用，降低了项目成本；该施工方法实施，有效的解决了拱桥结构在分段吊装过程中水平推力过大的不利情况，所有拱桥结构的安装精度均符合规范要求；在站房高架层上布置龙门吊进行钢结构施工尚属首次，定制龙门吊满足结构吊装和高架层上构件水平倒运的需求，由于轨道布置在梁上，对高架层结构影响较小，非常适合本工程钢结构施工；
通过对大跨度钢拱桥结构在高架层上施工技术的探究以及在新建石家庄站站房钢结构工程实际中的应用，为我国大跨度钢拱桥结构体系在施工过程中的工艺、方法等多方面增添了些许宝贵的经验，为类似结构提供珍贵的施工技术参考。
参 考 文 献
[1]中国钢结构协会.《建筑钢结构施工手册》.中国计划出版社.2002（1）
[2]中华人民共和国国家标准.《钢结构工程施工质量验收规范》.中国计划出版社.2002.
[3]中华人民共和国行业标准.《建筑钢结构焊接技术规程》.中国建筑工业出版社.2002
作者简介：王策（1982-），北京市机械施工有限公司，助理工程师.
联系地址：北京市西城区南礼士路15号（100045）
转载自中国建筑金属结构协会建筑钢结构网(www.CCMSA.com.cn)