原標題：新建天津西站站房工程結構施工關鍵技術研究

一、立項背景

天津西站站房工程屋蓋結構采用雙向空間彎扭箱型斷面鋼構件組成的大跨度聯方網格單層筒殼結構，跨度114m,凈空57m,由72榀交叉大拱和端部的2榀弧形大拱構成，用鋼量近13000噸，為國內首次采用。這種交叉箱形雙曲變截面造型的結構形式剛度變化大，重量分布不均勻，提升時拱結構的受力狀態與安裝后的受力狀態有很大差異，因而向兩側產生很大的推力，網殼變形大，需要在提升時隨時調整構件受力狀態和網殼變形狀態，使之接近于安裝狀態。由于提升時每段的48個合攏口要求同步精確對接，傳統的測量控制方法不能滿足要求，需要有實時高精度測量數據做支撐。工程施工環境復雜，工期緊，鋼結構吊裝機械的安裝受場地限制多，常規安裝技術無法在此限定環境條件下實現。軌道層型鋼混凝土梁最大截面尺寸為2m×3m,若采用混凝土梁模架的常規支撐設計需要投入大量的支撐材料，而且支搭周轉不便，施工效率低。要解決以上問題，在當時的技術背景下沒有可借鑒的成功經驗，為此我們開展了相關技術研究。

二、項目簡介

本項目屬于土木建筑工程施工技術領域，以解決新建天津西站站房工程的實際施工問題為主要研究內容。新建天津西站站房是京滬高鐵五大鐵路客運樞紐站之一，橫跨站區24臺26線，跨線方向南北總長約380米，總建筑面積223800,站房內最大凈空為57米。站房屋蓋采用大跨度空間彎扭箱型單層聯方筒殼結構，軌道層采用了現澆型鋼混凝土框架結構。

項目主要研究課題有天津西站屋蓋大跨度空間彎扭箱型單層聯方筒殼結構的提升安裝技術；構件空間形態和變形實時測量技術；軌道層大跨度型鋼混凝土梁模架體系的設計和實施方案； 1100噸米塔吊在軌道層行走時的結構加固技術。

三、詳細科學技術內容

1.空間彎扭箱型構件大跨度單層筒殼安裝及主動控制提升關鍵技術

以屋蓋兩側拱腳至第一分叉節點為界，將筒殼分為三部分，拱腳至第一分叉節點直接拼裝；筒殼中間部分從北至南分為三段在樓面拼裝，然后整體提升。屋蓋提升安裝過程中，通過采取高精度拼裝、設置預應力張拉體系、編制同步控制軟件、引入力學監測、運用三維激光掃描測量等多項主動控制技術對鋼結構形態進行預控，順利完成144個對接口無過渡段高精度同時合攏，使空中對接口到位的偏差值全部≤2mm,達到設計要求。

2.基于三維激光掃描測量的計算機模擬預拼裝技術，解決了大跨度筒殼鋼結構安裝實時測量、數據處理和分析的關鍵技術問題

天津西站筒殼鋼結構安裝分三部分，其中中間筒殼提升拼裝為動態安裝，常規測量存在困難，為此采用了三維激光掃描測量及計算機模擬預拼裝技術。提升段與兩端拱腳共計有144個對接口，為了保證提升與安裝的精確性，在提升前需精確測量出提升筒殼與兩端拱腳的空間位置，根據測量數據進行分析比對，通過數據比對，以發現兩者之間存在的拼裝偏差，并在提升前對上下拼接體進行系統的整體糾偏。因此需要一個系統誤差小、快速提供誤差數據的參照系統，即計算機模擬預拼裝模型。在提升過程中對提升筒殼的約束由胎架轉變為提升鋼索，提升筒殼和兩端拱腳的內應力發生了變化，由此而產生的變形需要用設在提升筒殼上的水平拉索進行糾正，因此在預提升階段需要對提升筒殼的形態進行實時監測，根據監測數據糾偏機械系統，進行實時調控，實現對變形的主動控制。在提升筒殼安裝完成后，為了解筒殼的安全度，需對支撐柱卸載后和屋面幕墻安裝完成后兩個階段進行筒殼鋼結構的變形狀況監測。

為解決以上技術問題，我們主要研究了三維激光掃描測量、數據處理及分析、計算機模擬預拼接偏差分析、掃描變形監測分析等技術，較理想地完成了復雜鋼結構安裝的實時監測，為精確順利安裝提供了保障。

3.型鋼混凝土梁模架體系現場試驗研究

型鋼混凝土梁一般跨度大、支撐高度較高。由于構件用鋼量大，構件結構自重計算數值較大。按常規計算方法，型鋼梁模板支撐立桿密集，搭設復雜，材料和人工資源消耗量大。天津西站工程，軌道層模架支撐高度10~13米，沿軌道方向的型鋼混凝土梁跨度24米，內設工字形型鋼梁兩端焊接于鋼管混凝土柱。按常規支模設計計算，梁下立桿步距1.2m,橫向間距為300mm,縱向間距為600mm,搭設密度大 ;梁底主龍骨需10#槽鋼，或100×150 mm木質龍骨方滿足要求；與同截面尺寸的普通混凝土梁相比，需要較大的額外投入。為了探索型鋼混凝土結構支撐體系的優化，改進支撐設置，節約建設資源，我們進行了試驗研究，建立了鋼梁承擔混凝土自重比例的計算模型，并提出梁內型鋼承擔梁自重比例的計算方法，應用于軌道層型鋼混凝土梁模架支撐工程中，節約了大量的材料、人工及工期。

4. 復雜施工環境下1100噸米超大軌距行走塔吊及大型履帶吊、汽車吊在高架候車層作業技術

天津西站站房結構施工期間，站臺雨棚、高架橋、站臺層以及站場同步施工，且京滬鐵路（27500V高壓帶電線路）運營線始終橫穿結構。施工現場多工種、多工序穿插施工，導致屋蓋結構安裝時，結構兩側無法布置大型的吊裝設備，即使可以布置大型的吊裝機械，受屋蓋結構跨度大、高度高、構件重量大的制約，需要大噸位吊車才能滿足吊裝要求?；谏鲜鰪碗s施工環境，我們研究采用了多種組合式起重機械聯合作業，并將大型機械設備搬到樓層上施工的方式解決了此項技術難題。

四、創新點

1.解決了大跨度空間彎扭箱型單層聯方筒殼安裝及提升關鍵技術問題。

2.基于三維激光掃描測量的計算機模擬預拼裝技術，解決了大跨度筒殼鋼結構實時測量、數據處理和分析的關鍵技術問題。

3. 提出了型鋼混凝土梁施工工況分析模型及型鋼梁與模架分擔新澆混凝土重量比例的計算方法。

4.研究高架層結構承擔吊裝機械移動荷載的可利用因素及相應的設備改造與結構加固技術。

五、應用情況

高精度控制提升安裝關鍵技術在天津西站工程中保障了大跨度空間彎扭箱型單層聯方筒殼鋼結構屋蓋體系最關鍵的安裝提升施工的順利實施。運用該技術在提升安裝過程中精確地做到了實時定位監測、隨時控制構件變形，使144個高空合攏口在高精度下（小于2mm）無過渡段順利合攏，成功解決了直接影響到鋼結構整體提升成敗的關鍵問題。該技術獲2011年度中國鋼結構協會科學技術獎。

三維激光掃描技術作為一種高效的測繪技術應用于天津西站工程，為鋼結構構件安裝過程隨時準確提供定位及變形數據，保證了安裝的精準定位及實時變形控制。其在大型復雜結構、構件變形監測及安裝領域，將具有極其廣泛的應用前景。該技術已于2014年批準為國家級工法。

提出了型鋼混凝土梁與模架體系分擔新澆混凝土自重的計算方法，鑒于該計算理論和方法，考慮到型鋼混凝土梁中的型鋼承擔了很大一部分混凝土的荷載，在天津西站型鋼混凝土梁的工程施工中大量減少了模架支撐體系的投入，經濟效益非常顯著。同時開發的計算方法軟件對于廣大工程技術人員來說方便、快捷，具有廣泛的市場推廣性。

六、經濟社會效益

1.本課題四項創新技術填補了國內相應技術領域的空白，對推動行業科技進步意義重大。

2.通過本課題的研究應用，在確保質量和安全的前提下大大縮短了施工工期，為天津西站的使用和京滬高鐵全線順利通車奠定了基礎。

3.在施工過程中，始終有京滬正線的運行，本課題關鍵技術的綜合利用，最大限度的減少了對既有線的影響，保證了鐵路和市政地鐵線路的運行安全。

4.本工程獲得了“第十一屆中國土木工程詹天佑獎”、“國家優質工程獎”、“北京市結構長城杯”及“鋼結構金鋼杯”等質量獎項。由于施工的優質快捷，得到了業主的信任和表彰，為企業贏得了聲譽，產生了較好的社會效益.