一．工程概况
北京南站位于北京市南二环开阳桥南约1公里处的东庄公园内。是正在建设中的京津城际列车和规划中的京沪高铁的起点。
北京南站主体结构由中央站房，站台雨棚及地下换乘大厅三部分组成，如图1所示。总建筑面积24万m2，总用钢量约5万吨。正在建设中的地铁4号线和14号线在此汇交，实现了地铁和国铁的“零换乘”理念。整个项目由铁道第三勘查设计院设计，中铁建工集团有限公司总承包，钢结构加工、制作及安装由江苏沪宁钢机股份有限公司承担完成。
二．雨棚结构分析
北京南站雨棚结构整体透视图如图2所示。主要包括塔架柱、柱顶纵向弧形梁及支撑、悬垂梁、悬垂梁间次梁和雨棚外侧三角形悬挑屋檐桁架五部分。
1．塔架柱及悬垂梁
塔架柱及悬垂梁组成北京南站雨棚结构的主要承重体系。基本结构单元如图3所示。悬垂梁承受竖向荷载，并将竖向荷载传递给塔架柱。在南站雨棚结构体系中，悬垂梁的受力机理与常规的钢梁不同。在某种意义上，悬垂梁是抗弯刚度较大的劲性索。在恒载和活载作用下，悬垂梁内力大部分为沿其轴线方向的拉力。在风吸力等向上荷载作用下，悬垂梁的受力机理类似于倒放的拱结构，其内力大部分为沿轴线方向的压力。
基于以上受力机理，北京南站屋面结构体系是一种效率极高的大跨度结构体系。屋面结构轻巧、时尚，可以很轻松的跨越较大的跨度。但悬垂梁结构也会给柱子作用较大的水平拉力，造成柱底弯矩较大。为克服柱底较大的弯矩，将雨棚结构柱设计为A字型的格构柱，将柱子底部截面展开，可以有效提高其整体抗弯能力，提高结构的效率。A形塔架柱如图4所示。
悬垂梁主要截面形式为H型钢，跨度从10m到64m不等，规格为H600×350×10×20和H450×200×8×12。悬垂梁与塔架柱连接采用铰接连接，连接节点形式如图5所示。
2．柱顶纵向弧形梁及支撑
柱顶纵向弧形梁结构透视图如图6所示。环梁分为外环、中环和内环。环梁由圆钢管和支撑组成，圆钢管规格为 600×22，所有环梁与塔架柱顶部刚接。既减小了环梁跨度又增加整个雨棚结构的纵向刚度，从塔架柱侧面伸出三角形支撑与纵向环梁相连。塔架柱顶纵梁和三角形支撑共同为整个雨棚结构提供纵向抗侧刚度。
3．三角形外边桁架
三角形外边桁架为雨棚挑檐的支撑结构。三角形支撑，檐口钢管和柱顶环向纵梁形成了三角形桁架结构，整体受力，增加了最外侧弧形柱网的抗侧刚度。如图7所示。
三．安装方案简介
1．安装总体思路及施工总平面布置
雨棚结构安装主要采用高空散装法进行，施工总体流程图如图7所示。首先在雨棚结构安装范围内搭设安装临时支撑托架，然后吊装A字型塔架柱。一个弧线上两榀A字型塔架柱安装完成后随即安装柱顶环梁，使两榀柱子之间互相连接形成稳定的结构。柱顶环梁安装完成后即安装最外侧圆弧三角形边桁架。
A形塔架柱相互连接在侧向形成稳定结构后开始安装塔架柱之间的悬垂梁，继而安装悬垂梁之间的交叉支撑，一个安装单元结束。吊车移动到下一个轴线，开始下一个安装单元的安装。
雨棚结构安装施工总平面布置图如图8所示。雨棚结构共分为六个吊装区域，分别为I-1区，I-2区，I-3区，II-1区，II-2区和II-3区。
2．塔架柱吊装
塔架柱安装主要有两种情况。（1）当吊车站位距离胎架柱安装位置较近，吊车的起吊能力满足塔架柱整体就位要求时，塔架柱将采取地面整体拼装，整体吊装就位的安装方法。如图9所示。（2）当吊车站位距离塔架柱安装位置较远，吊车其中能力不足时，胎架柱将分两端吊装就位如图10所示。
3．悬垂梁吊装
悬垂梁为雨棚结构的主要竖向受力构件，单根主梁长度变化范围为10m～64m不等。如果采用整体吊装的办法，其在起吊过程中的整体稳定性将是比较突出的问题，极有可能发生较大的变形而破坏，如果现场无法校正将导致构件报废。因此将每根主梁根据其跨度及加工分段现场组装成2～4段分段进行吊装，如图11所示。
一个悬垂梁结构单元的安装过程如图12所示。步骤一：安装临时支撑托架；步骤二：分段吊装一榀悬垂梁。步骤三：三榀悬垂梁同时分段吊装就位；步骤四：安装悬垂梁之间的交叉支撑。
四．轨道层加固方案简介
由于雨棚结构安装过程中大吨位吊车直接在轨道层混凝土结构上运行，原混凝土结构设计荷载与钢结构吊装时的施工荷载不同。钢结构吊装时由于吊车底部履带对混凝土结构的压力为不均匀分布，极限情况下有可能对混凝土结构形成较大的局部压力。因此必须对混凝土结构进行加固，以确保安装过程中混凝土结构的安全。
加固的原则是最终达到不通过楼板本身的抗弯能力来承受上部施工荷载，而是直接或间接通过砼结构主梁将施工荷载垂直地传至原砼柱和楼板下部支撑，继而最终传至基础底板。
加固手段主要是在吊车通过路线上通过在砼梁下设置加固支撑减小其弯矩和剪力，以保证设计配筋能够满足施工荷载的要求。
I、III区雨棚结构吊车行走路线如图13所示。加固点布置图如图14所示。I、III区主要采用在混凝土梁下设置独立加固钢柱的方法进行加固，由于I、III区下局部有停车库，因此加固钢柱的设置在有夹层和无夹层处又有所区别，如图15所示。
图15
五．施工质量保证措施
施工过程中必须制定合理的安装定位措施及现场焊接工艺，否则将很难保证构件安装的精度及现场焊接质量，给整个结构的安全留下隐患。为保证北京南站施工过程中构件定位的准确，整个施工过程中遵循了以下原则：
（1）严格控制支撑托架的标高及平面位置，确保构件安装定位的准确。
（2）支撑托架尽量布置在密实的混凝土基础上，并采取必要的加固措施。
（3）当支撑托架不得不布置于自然地坪处时，必须先将地面压实平整，之后在需设置临时支撑的位置铺设路基箱。
（4）严格控制支撑托架的沉降，安装过程必须在支撑托架顶部设置标高调节装置，保证构件安装时定位准确。
（5）构建合理的测量系统。
根据各类构件吊装前后顺序及构件在整个结构体系中的位置采取合理的焊接顺序。
一个安装单元内的同一类型构件吊装就位并完成位置的校正调整和临时固定后应该立即开始焊接；
合理的焊接顺序应该为从中间构件开始逐步向四周扩展，同时保证先焊接收缩量大的构件、再焊接收缩量较小的构件；
同一根构件（主要是钢梁）采取先焊好一端后再焊接另一端的原则进行。不同的截面形式的构件根据具体的焊接工艺采取相应的焊接顺序。
根据构件焊接变形的特点设计现场拼装节点，在拼装节点处应该有合理的限制焊接变形及精确的定位构造。
悬垂梁安装后为控制其焊接变形，应在每个梁单元中的次梁安装定位并临时固定后再进行主梁的焊接，同时在主梁安装临时支撑托架上应设置控制主梁位移的卡板，如图16所示。
Ａ字型塔架柱柱脚连接板为80mm钢板，单边坡口焊接，为控制其焊接变形采取分层多道对称焊的焊接方式同时在柱脚连接板的外围加设限位卡板，如图17所示。
六．结论
（1）北京南站雨棚钢结构结构形式新颖，结构体系轻巧、传力路径清晰。其结构体系中的悬垂梁，将“索”、和“拱”的受力机理巧妙的结合起来，为国内首创，具有很高的结构承载效率。
（2）雨棚结构由于其结构体系轻巧，包含了很多柔性构件，给结构的安装造成了一定困难。因此在安装过程中必须采取合理的分段，保证构件在吊装过程中的强度及稳定满足设计要求，避免构件破坏。
（3）柔性结构在现场安装过程中极易发生变形，因此必须采取必要措施，保证构件的定位准确。在构件现场焊接节点设计过程中，应该采取必要的限位措施，保证节点焊接过程中不至于发生过大的焊接变形。