國南極泰山站裝配化構件及節(jié)點設計
沈佳星
（寶鋼工程技術集團寶鋼建筑系統集成有限公司，上海201900）
摘 要：南極內陸常年的極端低溫和大風天氣，給泰山站的建站工作帶來了很大的挑戰(zhàn)，為了順利完成在氣候惡劣的南極內陸建立科考站的艱巨任務，在泰山站的結構設計中采用了裝配化的設計理念，在構件的連接節(jié)點中全部采用螺栓連接，避免了現場焊接工作，為泰山站的順利建成創(chuàng)造了前提條件，
關鍵詞：節(jié)點；裝配化；設計DOI:10. 13206/j.gjg201603017
1 工程概況
中國南極泰山站是中國在南極大陸建設的第4個科學考察站，泰山站位于南極內陸地區(qū)的伊麗莎白公主地，常年氣溫在- 30℃以下，并伴隨有大風，極端最低溫度可達到- 60℃，氣候條件惡劣，建站的位置常年覆蓋著厚厚的冰蓋，沒有堅實的天然地基供建筑物附著。在這樣惡劣的條件下建站，對結構設計和現場施工提出了很嚴苛的要求，所以泰山站的結構設計采用了裝配式、模塊化的技術理念。泰山站采用鋼框架一支撐結構體系，建筑立面呈飛碟狀，結構總高度為11.4m，共3層，層高為2.5~2.7 m，1層為設備層，2層為宿舍及生活設施，3層為觀察嘹望層，設備層樓面下還有2.5 m高的架空層，大風可直接從架空層穿過并吹走積雪，避免主站房被風雪掩埋�？蚣苤捎脠A管柱，框架梁和樓面次梁采用焊接H型鋼，柱間支撐采用單角鋼，樓面板采用定向結構刨花板OSB板，板下設置密排卷邊C型鋼組成樓面模塊用于固定樓面板。外墻面骨架采用全木檁條，泰山站的基礎采用的是由鋼板焊接而成的柱下條形基礎，基礎按照運輸車輛的尺寸進行分段，在現場組裝成整體。主體結構的鋼材采用低溫壓力容器用鋼09MnNiDr，樓面檁條、系桿、撐桿等次要構件采用Q345E鋼材。
2 裝配化構件
南極內陸極為惡劣的天氣條件促使設計人員選擇了更易于快速化裝配和建筑的鋼結構，且構件要具備較高的裝配化程度。傳統鋼結構的現場安裝工作經常要用到焊接，泰山站的建站位置常年處于低溫、大風的氣候條件，很難在現場進行焊接工作，而且南極的極端低溫會使鋼構件發(fā)生軸向收縮，構件之間的連接節(jié)點會存在對接困難的情況。南極的惡劣氣候迫使現場的施工人員要盡快地完成主體鋼結構及外圍護結構的安裝工作，以便轉入主站房內部進行施工，這時施工人員可以不必暴露在南極的風雪中，可以相對安全地進行設備安裝和室內裝修工作。因此泰山站的所有主體結構鋼構件的現場拼接節(jié)點均采用了全高強螺栓的連接方式，不設置現場連接焊縫，其中框架柱采用了類似管道的法蘭連接方式，上柱和下柱分別設置了法蘭盤，法蘭盤上按照構造要求布滿高強螺栓孔。
為保證高強螺栓在南極的極端低溫下能夠正常工作，高強螺栓在材質上選取了可以耐-60 0C低溫的42CrMo，并且要具備相應溫度下的沖擊功保證和扭矩保證。在形式上選用了大六角形高強螺栓，用專用的扭矩扳手進行施擰，因為普通的扭剪型高強螺栓在低溫下施擰時會發(fā)生尾部梅花頭提前斷裂的情況，而此時螺栓并未達到預緊力，高強螺栓的承載力會有所降低。為解決鋼構件在南極的低溫下的軸向收縮對構件連接的不利影響，在對構件的收縮量進行計算后，當高強螺栓孔所在平面與構件軸線相平行時，將高強螺栓孔做成22 mm×32 mm的腰形孔，為構件的軸向收縮變形預留了±5mm的空間，以便可在現場拼接構件時調整，確保高強螺栓的安裝順利。
泰山站的樓面板采用OSB板，這種板材具有較高的抗彎能力，因此可以用作結構板，并且質量很輕，很適合用于泰山站這樣的裝配式結構。OSB板采用自攻釘與樓板的密排C型鋼連接，C型鋼的間距控制在600 mm左右，并且根據運輸車輛的尺寸制作成長、寬均為3.5m左右的模塊，每個模塊都由C型鋼圍成的邊框和邊框內的密排C型鋼組成，邊框可直接擱置在預先設置在主體結構鋼梁上的托板上，邊框與托板之間用自攻釘可實現快速連接。
泰山站的建站位置覆蓋著厚度達1 900 m的冰蓋，不可能采用傳統的現澆鋼筋混凝土基礎，即便是采用預制混凝土基礎，也存在質量太大難以運輸的問題，因為深入南極內陸建立科考站需要經過數百公里的長距離跋涉，沉重的混凝土預制構件對運輸車輛、起重設備和現場施工人員來說無疑是個巨大的負擔，而且混凝土材料在極低溫度下也存在脆裂的問題。因此泰山站的基礎要采用質量輕、易于運輸、現場能快速安裝的形式。采用了鋼結構基礎，基礎形式為柱下條形基礎（圖1），基礎橫斷面類似于擴展基礎的形式（圖2）。條形基礎平面為十字形布局，十字的4個端部再用條形基礎拉結成整體，這樣可以形成較大的基礎剛度，確保泰山站的根基“穩(wěn)如泰山”。條形基礎由底板、箱型截面基礎梁、基礎橫向肋組成，條形基礎與上部結構框架柱的連接位置采用加密基礎橫向肋、基礎梁增設橫向加腋的加強措施。條形基礎的寬度為1.8 m，高度為0.6 m，并按照運輸工具的大小在工廠制作成長度約8m左右的分段，整個基礎一共分成9個分段，每個分段之間的連接也采用密排高強螺栓的方式，以保證足夠的連接強度，連接處的高強螺栓孔也特地開設成腰形孔，以便于在現場進行適當的調整。
在泰山站的構件裝船運往南極之前，施工方在上海某處拼裝場地進行了所有基礎構件、上部鋼結構構件、樓面系統、外圍護系統的總裝，對構件的工廠制作精度和現場的安裝施工進行了檢驗，及時對拼裝中出現的問題進行校正，確保在南極現場施工時不會因為構件的制作精度問題導致安裝停頓，也是對極地現場施工的一次預演。
3節(jié)點設計
3.1 梁柱拼接節(jié)點
泰山站梁柱節(jié)點采用外環(huán)板式剛接節(jié)點（圖3），這也是圓管柱結構的常用梁柱連接形式，環(huán)板伸出柱壁的寬度取150 mm（不小于框架梁翼緣寬度的0.7倍），保證節(jié)點所必須的剛度。環(huán)板的外側設置短牛腿，牛腿的截面同框架梁的截面，牛腿至圓管柱柱邊的距離為500 mm，這樣的尺度可以便于施工人員在牛腿上站立并進行吊裝作業(yè)，又不致太過增大構件的尺度而造成運輸困難�？蚣芰旱默F場拼接節(jié)點采用全部栓接的方式，即上、下翼緣的拼接按照螺栓群的抗剪承載力與翼緣的抗拉承載力等強度，腹板的拼接按照螺栓群的抗剪承載力與腹板的抗剪承載力等強度的原則配置高強螺栓的數量，高強螺栓均采用雙剪切面的連接方式，最大限度地利用螺栓的摩擦力。
3.2墻面檁條節(jié)點
泰山站的墻面骨架采用全木檁條，這是一種在極寒地區(qū)較為獨特的做法，普通鋼結構建筑的外墻面系統通常采用金屬骨架，但是金屬骨架在極寒地區(qū)存在“冷橋”問題，即建筑物內的熱量會通過外圍護板材與金屬骨架間的金屬連接件流失至室外，室內的熱量不能持久保存。而木材是熱量的不良導體，阻斷了金屬連接件與室內的熱量交換，達到了有效保存室內熱量的目的。泰山站的木檁條選用的是TB20強度等級，檁條的截面尺寸為90 mm x90 mm，選材來自國外優(yōu)秀品質的木材，以保證泰山站的外圍護系統具備足夠的耐久性。泰山站的木檁條系統是一套較為復雜的圍護系統（圖4a），分頂面圍護檁條、側墻面圍護檁條、底面圍護檁條和嘹望層外圍護檁條，泰山站所在地常年都處于大風環(huán)境中，為了確保外圍護體系的牢固，檁條的檁距被限制在1m左右，要將這些排列密集的木檁條牢固地固定在主體結構上，也非易事。
泰山站上、下斜面的檁條布置采用了主次檁條的形式，即用卷邊C型鋼作為主檁條，主檁條布置在上下斜面平行于相鄰兩道放射狀主結構鋼梁中間的位置，木檁條作為次檁條，并且木檁條采取兩跨連續(xù)的布置形式，將主檁條作為次檁條的中間支座，主結構鋼梁作為次檁條的鉸支座，次檁條的排列呈有規(guī)律的正十二邊形。木檁條與主結構鋼梁的連接采用檁托板的形式，但為了使木檁條的連接更加牢固，確保在南極內陸的強風作用下連接部位的安全可
靠，泰山站的檁托板采用了雙側布置的形式（圖5），將木檁條夾在兩塊檁托板的中間，每根檁條與檁條板之間保證至少用兩顆自攻釘連接。自攻釘采用SUS304不銹鋼材質，直徑8 mm，為便于在現場快速連接，每個檁托板上預先在工廠鉆好直徑9 mm的引孔，此引孔作為自攻釘安裝時的輔助導向措施，確保安裝時自攻釘不發(fā)生歪斜。木檁條與主檁條的連接方式采用雙側L形連接件夾緊的做法，L形連接件采用3 mm厚Q345E鋼板彎折而成，連接件與木檁條、主檁條之間的連接也采用自攻釘，每個連接處不少于兩顆自攻釘。
3.3樓面節(jié)點
泰山站的樓面形狀為正多邊形（圖4b），其中設備層和嘹望觀察層為正八邊形，生活層為正十六邊形，樓面板采用OSB板，板下設置密排C型鋼作為固定OSB板的樓面檁條，檁條的檁距為0.6m左右，由于C型檁條的數量眾多，為了提高樓面檁條的裝配化程度，按照運輸工具的尺寸大小，將由主結構鋼梁圍成的各個區(qū)格內的樓板檁條預先制作成模塊，每個模塊都由C型鋼邊框和其內部的檁條組成。主體結構鋼梁的側面設有與模塊連接的角鋼托板
（圖6），角鋼上預先開孔，施工時檁條可直接擱置在角鋼上，用自攻釘在下方先后鉆透角鋼和檁條下翼緣并咬合緊固，檁條模塊便完成了安裝固定。
4結束語
泰山站是鋼結構在極寒地區(qū)的一個較為成功的應用，它的建成對于我國的極地科學考察事業(yè)具有較為重要的意義，進一步積累了在極寒地區(qū)應用鋼結構的設計和施工經驗。泰山站在鋼結構裝配化上做了一些成功的嘗試，在結構連接上通過采用全螺栓和自攻釘連接，從而避免了現場焊接作業(yè)，成為中國極地建設歷史上的一個較為成功的案例，為進一步在南極大陸拓展科學考察事業(yè)奠定了更為扎實的基礎。當然，極地的施工條件極為嚴酷，為了緩解現
場施工人員的勞動強度，泰山站的裝配化程度還需要進一步提高，其復雜的外墻面系統和樓面檁條系統仍是施工當中的一個較為繁瑣的部分，隨著我國在南極科學考察事業(yè)的進一步發(fā)展，更高裝配化程度的外圍護系統有待于設計人員進一步探索和研究。
