哈尔滨火车站改造工程是在既有哈尔滨站原址上拆除重建, 总建筑面积为13.6万m², 其中站房建筑面积为33 750m², 如图1所示。

站房屋盖钢结构采用大跨度拱形三角桁架结构。钢结构屋盖南北长165m, 东西宽72m, 拱高12.3m。在宽度方向上共设置9榀三角形空间主桁架, 主桁架高度为5m;主桁架之间由4道梯形空间连系桁架连接, 连系桁架高度为2.5m;主桁架间平均分布有14榀三角形空间次桁架, 次桁架两端连接4榀连系桁架, 次桁架高度为2.5m;主、次桁架两端均采用弹性滑移成品支座与下部混凝土连接。桁架杆件均采用圆管, 规格为P114×8~P700×20不等, 材质为Q345C。如图2所示。

钢结构下部土建为3层框架结构, 如图3所示。钢结构主次桁架两端屋盖落于3层混凝土上, 标高约为22.000m, 钢屋盖下部土建为中部镂空, 底部为1层楼层顶板, 标高约为9.000m。

由于火车站在施工过程中, 需保证火车的正常运营, 本工程站房改造钢结构工程共分2个阶段进行施工, 如图4所示。安装一期钢结构时, 二期位置火车正常运营;一期结构施工完成, 火车正常运营后, 再施工二期结构。

为保证工期的顺利进行, 同时考虑施工措施经济性等方面, 钢结构屋盖采用整体提升和分段吊装相结合的施工方法。

其中一期钢结构采用整体提升施工方法, 即在下部混凝土楼层拼装桁架钢结构, 拼装完成整体提升到设计位置后, 补装支座处杆件, 然后卸载一期钢结构, 完成一期钢结构的安装。二期钢结构在一期钢结构施工完成3个月后开始施工, 与一期连接部位采用50t汽车式起重机在混凝土楼面进行分段吊装施工, 在桁架四分点位置设置临时支撑架, 二期其余钢结构采用楼面拼装、整体提升施工方法;二期钢结构施工时, 首先施工分段吊装区域, 与一期钢结构连接, 施工完成后, 待提升区域提升到设计标高后, 补装支座处和分段吊装之间的后装杆件, 然后卸载分段吊装区域支撑架, 最后卸载二期提升器, 完成二期钢结构的安装。如图5所示。

由于钢结构为桁架拱结构, 提升过程中桁架两端由于拱推力作用, 具有较大的水平位移, 提升到设计位置后, 对于后续支座处杆件补装较困难;同时由于提升过程中拱推力作用, 提升后结构自重荷载产生的推力已经被提升结构自身承担, 在与两端成品支座连接后, 成品支座基本不会承受水平推力, 该施工方式与原设计一次成型方法有较大区别, 从而导致施工完成后结构杆件内力与自重作用下一次成型内力相差较大, 削弱结构杆件的安全储备, 甚至存在结构在后续使用过程中部分杆件承载力不足的情况。

鉴于上述情况, 本工程在提升过程中, 在每榀主桁架两端拉设1道平衡索, 保证结构提升过程与原设计过程的一致性。

本工程提升施工在主桁架下弦两端临时增设1道平衡钢绞线, 钢绞线与桁架通过耳板连接。通过对钢绞线施加预应力来控制提升过程桁架的水平位移及跨中挠度, 以保证结构的安装精度。

平衡索预应力的施加通过在端头设置液压千斤顶实施, 预应力的卸载也通过液压千斤顶实现。平衡索端部通过耳板, 采用销轴与桁架下弦连接, 耳板贯穿下弦圆管, 以保证耳板连接节点的承载力;穿出下弦管的另一端为提升下吊点耳板。

桁架拼装完成后, 需要对平衡索施加预应力, 施加过程有2种情况: (1) 在结构支撑于胎架上时施加; (2) 在提升桁架结构脱离胎架后施加。对于第1种情况, 在施加预应力过程中, 主桁架中部会反拱上挠, 从而使跨中桁架脱离下部胎架, 结构自重荷载向两端胎架传递, 可能会使桁架两端拼装胎架受力较大而破坏。对于第2种情况, 当桁架结构提升后施加预应力, 桁架结构先下挠, 平衡索张拉时再上挠, 结构杆件受力变化较大, 施工过程也不易控制。实施中, 采用分级张拉方式, 即在连接好提升器和平衡索后, 首先提升25%的提升力荷载, 然后施加平衡索力至结构还原至原拼装位置, 再增加25%的提升力后, 再施加平衡索力至原拼装位置, 依次分4次提升、4次张拉平衡索, 直至结构提升脱离胎架, 平衡索完成张拉。

由于结构分成2期进行施工, 若一次提升完成后, 卸载平衡索, 结构跨中下挠较大, 与二期分段吊装区域对接时, 不能保证安装精度;若一期平衡索在二期施工完成后再卸载, 因不能倒用平衡索, 施工成本较高。经有限元模拟分析, 在平衡索卸载前, 将桁架两端弹性滑移成品支座约束为固定支座, 平衡索卸载后, 与二期吊装区域连接的一期桁架跨中挠度仅为15mm, 能够满足安装精度要求, 施工即采用该方法。

成品支座加固方式如图6所示, 先通过1块钢板A与预埋件焊接, 钢板厚度与支座下部空隙相同, 以保证支座不能转动。再通过1块钢板B焊接于钢板A上, 同时保证钢板B的一端卡紧成品支座上顶板, 限制其水平移动, 钢板B无需与成品支座焊接, 以便于后期拆除。待一期和二期结构施工完成卸载后, 再逐榀拆除成品支座的固定措施。

提升吊点的设置主要包含2个方面:吊点位置和吊点数量。吊点位置宜布置于结构刚度较大区域, 避免结构提升时挠度较大以及提升吊点位置结构构件承载力不足问题, 比如原结构支座节点附近。吊点数量宜根据结构形式在满足受力合理的基础上尽量减少, 以降低提升措施量, 减小施工成本。

本工程根据结构形式以及有限元计算, 仅在主桁架两端设置提升吊点, 其中一期共设置8个提升吊点, 二期设置10个提升吊点, 如图7所示。

提升吊点位置选定后, 吊点的具体位置可以设置在上弦层上, 也可以设置于下弦层上。本工程主桁架为倒三角桁架, 若设置于上弦层上, 为保证主桁架的受力平衡, 需在2根上弦节点之间设置1道提升钢梁, 用于固定下提升吊点;由于桁架2根上弦杆之间间距较大, 提升荷载也较大, 所需提升钢梁规格较大;此外, 若提升下吊点设置于主桁架上弦, 因结构提升到位后, 需保证上下提升吊点之间提升间距要求, 提升架需设置较高, 提升措施量较大。本工程提升吊点设置于下弦节点上, 具体形式如图7所示。

提升施工过程中, 需搭设提升架, 提升架的设置需注意以下事项: (1) 提升架的强度及稳定性满足提升力的需求; (2) 提升架的设置需保证在提升过程及补装杆件过程中, 不与提升结构及补装杆件干涉; (3) 提升架水平定位要精确, 避免钢绞线与竖直方向存在较大倾角, 提升时提升力会对提升架产生较大的水平力; (4) 提升架高度, 需满足结构提升到设计标高后, 提升上吊点和下吊点间距>1.5~2.0m (具体与钢绞线股数和直径有关) , 以避免钢绞线过短后, 刚度较大, 提升到顶部出现水平偏移后, 钢绞线与提升器卡住现象。

本工程提升架设置于3层混凝土楼层上, 为充分利用原有结构埋件, 减小提升措施量, 提升架2根立杆设置于原有主桁架端部成品支座上方的短柱上;同时在提升架另一侧混凝土楼承梁上设置埋件拉住提升架, 如图8a所示。

提升架结构形式如图8b所示, 主要有圆管、H型钢和箱形钢梁组成。其中圆管规格为P180×10和P140×6, H型钢规格为HM340×250×9×14和HW200×200×8×12, 箱形钢梁规格为B450×300×18×18。

提升横梁中部开设圆孔, 便于提升器钢绞线穿过圆孔与放置于提升横梁上的提升器连接;同时, 为保证提升横梁的承载力, 在圆孔周围焊接与翼缘同厚的钢板进行补强, 如图9所示。

由于工程工期较紧, 钢结构的拼装需要在冬天进行。哈尔滨地区冬天室外平均温度仅有-25℃, 为保证钢结构的焊接质量以及拼装的合龙温度, 工程采用搭设保温暖棚进行施工, 保温暖棚如图10所示。

利用桁架拼装胎架, 延长拼装胎架立杆, 在立杆顶部设置保温暖棚支撑横梁, 进行保温暖棚的搭设。保温暖棚采用压型钢板作为基层, 玻璃棉作为保温层, 最外层覆盖三防布。同时, 采用22台工业柴油取暖器进行加热。

桁架拼装时, 为保证吊装机械的使用, 先不搭设保温暖棚, 桁架采用临时点焊固定, 拼装完成桁架后, 再铺设保温暖棚, 升温至0~5℃后, 进行桁架焊接工作。

哈尔滨火车站站房改造钢结构工程, 主要采用了分块整体提升施工技术。本文系统介绍了钢结构提升施工的总体思路, 详细分析了提升施工过程中的关键技术, 主要包含平衡索的施工、提升吊点的布置原则和具体形式, 提升架设置的注意事项, 成品支座的临时固定措施, 以及低温焊接的保证措施。

本文涉及的施工技术可为今后类似工程提供借鉴和参考。