（上海铁路局徐州枢纽建设指挥部  江苏徐州  李晓峰 221000 )
(中冶建筑研究总院有限公司华东分院  金立赞200940）

 
摘要：徐州火车站无站台柱雨棚为单向受力的张弦桁架钢结构体系，该体系由钢管桁架梁、撑杆和拉索组成，通过在下弦拉索中施加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，使结构在荷载的作用下产生的最终挠度得以减少，是一种新型的自平衡体系。在该结构的施工中，预应力悬索是关键部位，预应力索结构的设计和控制是重点，因此有必要对悬索的施工技术进行探讨，为同类预应力钢结构工程提供借鉴。
关键词： 预应力悬索 结构施工
 
Construction Technique for Suspension Cable of Non-prop Platform Canopy in Xuzhou Railway Station
Li xiaofeng
(Construction Headquarter of Xuzhou Terminal Shanghai Railway Administration, 221000)
Abstract: The non-prop platform canopy in Xuzhou railway station, is a truss string structure. The system is combined by steel pipe truss beam, struts and cables. As a new self balance structure, pre-stress was employed in bottom chord cable in the construction, and thus the structure deformation under the load was reduced. The key point in construction is the control of pre-stress in the cable. It is necessary to study on the pre-stress control, and the experiences can be referenced and popularized.
Keywords: Non-prop platform canopy, pre-stress suspension cable, construction technique
 

1. 工程概况
     徐州火车站无站台柱雨棚改造工程，其钢结构雨棚建筑面积为46912m²。该结构体系为单向受力的张弦桁架钢结构体系，采用张弦桁架作为主梁，柱侧采用钢管桁架悬挑梁，纵向采用钢管次桁架作为主檩条，上铺H型钢及冷弯薄壁C型钢次檩条，屋面为压型镀铝锌钢板。

                         

                图1 建筑效果图

      建成后的徐州站风雨棚，实现了对高架候车室南北两侧的全站台覆盖，整体宏伟大气，极富现代感，为提高铁路运输服务质量和服务水平提供了良好的硬件设施。建筑效果图见图1。
2. 结构组成
     张弦桁架结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系。通过在下弦拉索中施加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，使结构在荷载的作用下产生的最终挠度得以减少，撑杆作为对上弦压弯构件的弹性支撑也改善了结构的受力性能。作为一种新型自平衡结构体系，显著的减少了结构用钢量，具有良好的经济型和美观性。
结构平面、剖面图分别见图2、图3。

图2 结构平面示意图
 

图3 结构剖面示意图
 

2.1 钢管桁架梁
    钢管桁架梁断面见图4。钢管桁架梁为倒置正三角形，桁架上弦矢高为3m，下弦矢高5m，桁架宽2m，根部高度3.5m，跨中高度1.5m；上弦杆截面为φ273X12，下弦杆截面在跨中为φ299X16，两侧为φ299X14，腹杆为φ102X5、φ133X8、φ159X10，桁架弦杆与腹杆间为相贯焊缝连接。
2.2 撑杆
      撑杆截面为φ159X10，撑杆上端与桁架下弦杆通过销轴连接，下端通过铸钢球与拉索铰接连接。
2.3 拉索
   张弦桁架拉索选用φ5X199高强度低松弛镀锌半平行钢丝束，拉索截面面积为3907mm²，拉索抗拉强度标准值为1670MPa，拉索锚具采用冷铸锚，拉索穿过下弦后通过三分节点分出两根高强度钢拉杆，最终钢拉杆铰接于上弦杆和柱交接部位，将拉索预应力平均分配到两根上弦杆上，拉索与下弦相交部位采用铸钢相贯节点，保证索与下弦杆之间无直接接触。实际节点照片见图5。
                            
     图4 钢管桁架梁断面                                                    图5 铸钢相贯节点

 

 2.4 柱侧悬挑桁架
    柱侧悬挑桁架为倒放正三角形桁架，上弦杆及下弦杆截面均为φ273X12，腹杆为φ102X5、φ133X8、φ159X10，桁架弦杆与腹杆间为相贯焊缝连接。
2.5 钢柱
    钢柱由两根φ500X22的钢管混凝土柱组成，两根柱沿线路方向布置，柱间有φ219X10钢管腹杆连接组成格构柱，使得在平面外形成较大刚度，抵抗结构侧向水平力。为了弥补柱外形受限造成的强度不足及平面内抗弯能力弱的现状，在钢管柱内设钢套管，改善钢管性能，同时解决排水管通道问题，钢管柱内灌注C60高强度微膨胀混凝土。为了解决悬挑部分在正常使用过程中的向下挠度和风吸力作用下的向上挠度问题，在每组柱两侧设置刚性拉杆，通过柱顶使得悬挑部分和中间桁架的内力得以部分平衡。
2.6 钢管次桁架（次梁）
    风雨棚纵向采用倒放正三角形钢管次桁架作为次梁，间距约6m，次桁架弦杆截面为φ133X6，腹杆为φ50X3。次桁架连续布置，上弦杆与张弦桁架主梁相贯连接。次桁架断面见图6。
2.7 H型钢钢梁、水平支撑及C型钢檩条
   次桁架上弦上铺H300X200X4.5X8钢梁，间距4m，H型钢钢梁连续铺设，强度得到充分利用，挠度也得到较好的控制，同时用钢量较经济。
H型钢钢梁上铺冷弯薄壁型钢C200X60X20X3檩条，檩条兼做建筑吊顶主龙骨，间距1.5m。屋面水平支撑采用张紧φ20mm圆钢。
    雨棚钢结构C型钢檩条材质为Q235B，其它钢材材质为Q345B，铸钢件材质选用德国标准《高焊接性能和韧性的通用铸钢件》(DIN17182-1992)中的GS-20Mn5（调质）钢材。

          图6 次桁架断面

3.  结构特点
 

1. 张弦梁由下弦索、上弦梁和竖向腹杆组成，索为受拉、杆为受压的二力杆，上弦梁为压弯杆件；
2. 通过拉索的张拉力，使竖腹杆产生向上的分力，导致上弦梁产生与外荷载作用下相反的内力和变位，以形成整个张弦梁结构及提高结构刚度，通常情况下下弦索为一向下的折线多边形；
3. 在预应力及外荷载作用下(指自重等屋面荷载作用下)形成自平衡体系,不产生水平推力；
4. 上弦梁为立体桁架,此时张弦梁便成为带拉索的杆系张弦立体桁架，可使结构计算及构造得到简化；

4.预应力悬索施工技术
4.1 技术准备
4.1.1 制定完善的改造设计
     改造设计是为预应力钢结构的施工做技术准备，设计的要点是制索、挂索和预应力钢索张拉。
4.1.2 确定预应力施加过程的顺序
    对结构施加预应力应使预应力能够分布到整个结构，达到预应力的目的。在施加预应力过程中必须和设计的预应力施加过程一致，对实际施加预应力过程按照几何非线性进行分析，确定预应力过程的次序、步骤、采用的机械设备、每次张拉量值，控制结构的形状变化以适应预应力分布相匹配。
4.1.3 确定监控指标和参数
    在每一阶段预应力施加过程中，结构加固改造需要一个自适应的过程，经过自平衡而使应力重新分布，形状随之改变，必须确定监控的指标和参数，加强预应力施加过程中的监控，保证结构的初始状态和设计相符，确保施工安全。
4.1.4 控制其他荷载施加
   结构屋面荷载、悬挂荷载等其他荷载的施加应均匀、对称、匀速，避免出现过大的集中荷载。
4.2 技术措施
4.2.1 材料的加工、运输和存储

1. 1.按照施工图纸在专业预应力钢索厂下料。下料时应在每根预应力钢索的每个张拉端预留张拉长度，使用砂轮切割机切割，严禁使用电焊和气焊。
2. 2.预应力钢索及配件在运输、吊装过程中避免碰撞和挤压。
3. 3.预应力钢索及配件在铺放使用前，应保存在干燥平整的地方，其下设置垫木、上面采取防雨措施，避免材料锈蚀。
4. 4.禁止砸压和接触电气焊作业，避免受到损伤。

4.2.2 预应力钢索的制作
4.2.2.1 调直和下料
    为了使钢索受荷后各根钢丝或各股钢绞线受力均匀，钢索的制作时下料长度必须严格控制，达到准确、等长；采用“应力下料法”将开盘在200-300MPa拉应力下的钢丝或钢绞线调直，可消除一些非弹性因素的影响。钢丝或钢绞线的号料应严格控制，制作通长、水平且与索等长的槽道，平行放入钢索或钢绞线，使其不相互交叉、扭曲，在槽道定位板处控制索的下料长度。
4.2.2.2 切割和编束
    钢索切割采用切割机切割，严禁采用电弧切割或用气割，以防损伤钢丝。
编束应采用梳孔板向一方向梳理，同时编扎，每隔1m左右用细钢丝编排扎紧，不让钢丝在束中交互扭压。编扎成束后形成圆形截面，每隔1m左右再用铁丝扎紧。
4.2.2.3 预张拉
    通过预张拉可以消除索的非弹性变形，保证在使用时的弹性工作。预张拉在工厂内进行，选取钢丝极限拉力的50-55%为预张力，持荷时间为0.5-2h。
4.2.2.4 钢索的防护
    钢索在防护前对表面处理，认真除污。防护方法有：黄油裹布、塑料涂层、多层液体氯丁橡胶防护、表面油漆、钢索用套管、内灌液体氯丁橡胶、将环氧树脂粉末喷于钢丝上再热熔、固化形成、外加PE套管等。
4.3 预应力钢索张拉
4.3.1 张拉设备
    选用相应的千斤顶和配套油泵，并根据设计和预应力工艺要求的实际张拉力对千斤顶和油泵进行标定，在实际张拉时根据标定曲线找到控制张拉力值相对应的值，并将其打在相应的泵顶标牌上，以方便操作和查验。
4.3.2 张拉工装
    本工程张弦梁下弦拉索规格为Φ5*199，钢拉杆为D80，钢拉杆端头可进行微调，安装拉索时将一端螺母旋至中间位置，采用张拉另一端拉索索头的方式施加预应力，拉索为两端锚具为冷铸锚。
在设备安装时必须注意使张拉设备形心和钢索重合，保证钢索在张拉过程中不产生偏心受力。
4.3.3 张拉控制
    根据设计要求的预应力钢索张拉控制应力取值。
油泵启动供油正常后开始加压，当压力达到钢索设计拉力时，超张拉5%左右，停止加压，完成预应力钢索张拉。
控制张拉时的给油速度，给油时间不低于0.5min。
4.3.4 测量与监控
    为保证预应力钢结构的安装精度和结构在施工期间的安全，并使张拉完成后的预应力状态与设计相符合，必须对张拉过程中索网结构的整体变形、钢索的拉力和钢结构应力进行监测。
4.3.4.1 变形监测
    通过全站仪对每榀张拉桁架的上弦主管的跨中位置进行监测，可以了解结构的整体变形情况，以保证预应力施工期间结构的安全和预应力施加的质量。
4.3.4.2 索力监测
      通过安装在液压千斤顶油泵上的油压传感器读数仪，对张拉过程中预应力钢索拉力进行实时监测，以保证预应力钢索施工完成后的应力达到设计要求。
4.3.4.3 钢结构应力监测
   本工程采用振弦式应变计对钢结构的应力进行监测，在第2、5、13、17和20轴桁架上布置监测点。
4.4 张拉技术参数
    索按设计图纸中的轴线进行编号，索的张拉力作为预应力钢索施工记录，其中索力偏差按10%取值，施工时实际索力见表1。
表1 实际施工时索力控制表

编号	轴线	索长mm	最终张拉力kN
LS1	①	55607	475+48
LS2	②	58696	645+65
LS3	③	60823	718+72
LS4	④	61980	785+79
LS5	⑤	62135	588+59
LS6	⑥	62135	844+84
LS7	⑦	62135	619+62
LS8	⑧	62135	629+63
LS9	⑨	62135	826+82
LS10	⑩	62135	762+76
LS11	11	62135	792+79
LS12	12	62135	788+79
LS13	13	62135	787+79
LS14	14	62135	794+79
LS15	15	62135	762+76
LS16	16	62135	657+66
LS17	17	62041	812+81
LS18	18	61013	754+75
LS19	19	59030	684+68
LS20	20	56135	496+50

 
5. 结束语
    徐州火车站无柱风雨棚预应力钢结构工程已完工并投入使用。在施工过程中根据结构体系的特点，确定了预应力悬索施工作为施工控制的关键点，制定了有针对性的施工方案，并在钢结构安装和预应力张拉过程中进行了模拟计算，详细了解了结构在施工过程中所经历的变形和应力分布，顺利实现了安全、质量、工期等控制目标。
参考文献

1. 赵建强. 济南站大跨度钢结构风雨棚结构设计[J]. 铁路标准设计，2006（7）
2. GB50017-2003，钢结构设计规范[S]
3. GB50205-2001，钢结构工程施工质量验收规范[S]