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 韓  鋒

 （中鐵建設(shè)集團有限公司，北京  100131）

[摘要]云南為地震多發(fā)地區(qū)，昆明南站高架候車層梁柱節(jié)點由下部大型十字型鋼骨轉(zhuǎn)換為圓鋼柱，經(jīng)過有限元分析及三維BIM設(shè)計，在十字下節(jié)柱和圓管型上節(jié)柱之間連接一個中空的轉(zhuǎn)換節(jié)點，節(jié)點外圍有鋼筋混凝土環(huán)梁包裹。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換節(jié)點不僅截面過渡性好，而且應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足現(xiàn)行國家和鐵路規(guī)范9度抗震的要求。另外，對工程中的施工難點及關(guān)鍵施工技術(shù)進行了研究，并采取了針對性的解決措施，取得了良好的效果。

[關(guān)鍵詞]鋼骨柱；抗震；轉(zhuǎn)換節(jié)點；環(huán)梁；有限元分析；施工技術(shù)

[中圖分類號]TU745.4[文章編號]1002-8498（2016）10 -0014 -04

0  引言

 昆明南站主體結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，高架候車廳以下為型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的方形柱，以上支撐屋蓋豎向結(jié)構(gòu)為圓鋼柱；梁柱節(jié)點采用大型十字鋼骨柱轉(zhuǎn)圓鋼柱9級抗震轉(zhuǎn)換節(jié)點，該節(jié)點通過在方形下節(jié)柱和圓管形上節(jié)柱之間連接一個中空的轉(zhuǎn)換體，該轉(zhuǎn)換體包括柱頂套管和相連接的圓錐形鋼管，節(jié)點外圍由鋼筋混凝土環(huán)梁包裹。

1  工程概況

 昆明南站是集鐵路、地鐵、公交、出租等市政交通設(shè)施為一體的特大型綜合交通樞紐。總建筑面積334 736. 5m2，站房長438. 25m，東西向?qū)?26m。抗震設(shè)防烈度8度，按9度設(shè)防，混凝土耐久性100年。采用內(nèi)含鋼骨柱、鋼骨梁的框架梁板柱結(jié)構(gòu)，車站建筑自上而下依次為高架層、站臺層、出站層和地鐵站臺層。

2轉(zhuǎn)換節(jié)點分析

2.1節(jié)點分析

 高架層梁柱轉(zhuǎn)換節(jié)點結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，如圖1所示。節(jié)點下部連接十字型鋼骨柱，節(jié)點上部連接圓形鋼管柱，內(nèi)灌混凝土，外包環(huán)梁，節(jié)點做“方變圓”，節(jié)點四周與混凝土框架梁連接。

 轉(zhuǎn)換節(jié)點詳細(xì)描述如圖2所示，其包括下部十字形下節(jié)鋼骨柱1，圓管形上節(jié)柱2，中空的圓錐形鋼管套靴過渡轉(zhuǎn)換體3，十字形下節(jié)勁性鋼骨翼緣板外焊有栓釘4（規(guī)格為ɸ22×120），套靴部位外焊栓釘7（規(guī)格為ɸ16×120），鋼管套靴過渡轉(zhuǎn)換體3的寬端與柱頂套管的頂端的連接處外周套設(shè)有環(huán)形抗剪牛腿5，環(huán)形抗剪牛腿5的上、下端面沿四周設(shè)置有多塊縱向加勁板，鋼管套靴過渡轉(zhuǎn)換體3的窄端與圓管形上節(jié)柱2的底端的連接處外周套設(shè)有加強連接環(huán)6，加強連接環(huán)6的上端面沿四周設(shè)置有多塊縱向加勁板。

 大型十字鋼骨柱轉(zhuǎn)圓鋼柱轉(zhuǎn)換節(jié)點長7 500mm．寬3 800mm，高3 000mm，重為51t，其中最薄鋼板厚度為32mm，多數(shù)鋼板厚度為50mm，少數(shù)鋼板厚度為60mm，縱向加勁板鋼板厚度較大且間距較小，平均每塊加勁板單側(cè)焊接3層ɸ40框架梁主筋。

2.2抗震參數(shù)

昆明南站設(shè)計時采用的抗震參數(shù)如表1所示。

2.3轉(zhuǎn)換節(jié)點有限元分析

 對由環(huán)形連接件與鋼筋混凝土環(huán)梁構(gòu)成的鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換節(jié)點進行有限元抗震受力分析，節(jié)點區(qū)鋼套管和型鋼最大應(yīng)力為67. 6MPa，遠(yuǎn)小于節(jié)點鋼材Q345的屈服強度345MPa，故不會發(fā)生屈服破壞，并且可較大程度上降低轉(zhuǎn)換節(jié)點的施工難度，使鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁能緊密結(jié)合，鋼管受拉承載力能保持連續(xù)，節(jié)點的承載力能夠滿足設(shè)計要求，如圖3所示。

3環(huán)梁結(jié)構(gòu)分析

 轉(zhuǎn)換節(jié)點四周由矩形和異形的封閉鋼筋環(huán)梁包圍，并與結(jié)構(gòu)框架梁連接，在鋼筋環(huán)梁范圍內(nèi)，鋼筋縱橫交錯，鋼筋直徑大、數(shù)量多、間距密，鋼筋加工及施工難度極大，其中方形環(huán)梁用于中間柱，三角形環(huán)梁用于邊柱，如圖4所示。

 經(jīng)受力分析計算，鋼筋骨架的最大應(yīng)力為89. 8MPa．遠(yuǎn)小于HRB400鋼筋的屈服強度

360MPa，鋼筋不會屈服，故該節(jié)點滿足承載力極限狀態(tài)設(shè)計要求。

4轉(zhuǎn)換節(jié)點加工

4.1加工工藝流程

 厚鋼板折彎成型→節(jié)點下壁板組裝定位、十字形勁性鋼骨柱組裝→過渡節(jié)點上壁板、上段鋼管柱組裝→加強連接環(huán)、環(huán)形抗剪牛腿→轉(zhuǎn)換節(jié)點焊接→轉(zhuǎn)換節(jié)點應(yīng)力消除。

4. 2厚鋼板折彎成型

 采用2 000t油壓機對壁板進行冷壓加工成型，如圖5所示。

4.3節(jié)點組裝（見圖6）

4.4轉(zhuǎn)換節(jié)點焊接殘余應(yīng)力消除

 轉(zhuǎn)換節(jié)點采用的鋼板厚度大且焊接復(fù)雜，因此應(yīng)力消減至關(guān)重要，采用振動時效法( VSR)對節(jié)點進行焊接殘余應(yīng)力的消除。按圖7放置各振動工藝裝備與輔件后，將節(jié)點放在托架上，應(yīng)保證振動裝置橡膠墊壓縮均勻。激振器用[型夾具固定在節(jié)點振動端的上方，偏心矩設(shè)定為32%。加速度傳感器放在激振器下方的鋼柱內(nèi)，設(shè)備供電為AC220V-20A，VSR全自動振動消除應(yīng)力系統(tǒng)如圖7所示。

5  轉(zhuǎn)換節(jié)點安裝

5.1三維建模、施工模擬

 通過Revit，AutoCAD等軟件對轉(zhuǎn)換節(jié)點進行三維建模，直觀分析節(jié)點安裝工況，確定每一次吊裝的吊車型號、行走線路、起重機站位、構(gòu)件掛鉤位置、焊接時間、場地障礙等各種施工中可能遇到的影響因素，如圖8所示。

5.2轉(zhuǎn)換節(jié)點下柱施工

 轉(zhuǎn)換節(jié)點下部為十字型鋼混凝土柱，柱鋼筋需錨入轉(zhuǎn)換節(jié)點內(nèi)部，轉(zhuǎn)換節(jié)點內(nèi)部為中空的變截面空間，直線條的鋼筋無法進入轉(zhuǎn)換節(jié)點內(nèi)部。通過“平直段+曲線段”的連接方式將鋼筋伸入轉(zhuǎn)換節(jié)點內(nèi)部，如圖9所示。

5.3轉(zhuǎn)換節(jié)點上柱施工

 從轉(zhuǎn)換節(jié)點上部將彎曲段鋼筋放入轉(zhuǎn)換節(jié)點內(nèi)，施工人員進入轉(zhuǎn)換節(jié)點內(nèi)部，將柱彎曲段鋼筋與接頭甩入轉(zhuǎn)換節(jié)點內(nèi)的平直段鋼筋連接，彎曲段鋼筋根據(jù)轉(zhuǎn)換節(jié)點內(nèi)部中空變截面角度，對鋼筋預(yù)先彎折，并保證深入節(jié)點內(nèi)部的鋼筋滿足錨固長度的要求，如圖10所示。

5.4轉(zhuǎn)換節(jié)點混凝土施工

 鋼筋安裝完成后，對轉(zhuǎn)換節(jié)點下部與框架柱之間的縫隙進行封堵并澆筑混凝土，下節(jié)柱混凝土成型效果如圖11所示。

6環(huán)梁施工

6.1  環(huán)梁鋼筋加工

 環(huán)梁主筋下料采取“標(biāo)準(zhǔn)段+局部調(diào)節(jié)段”的辦法來減少鋼筋斷料的規(guī)格和廢料的產(chǎn)生，標(biāo)準(zhǔn)段鋼筋為統(tǒng)一尺寸，不存在廢料的產(chǎn)生，調(diào)節(jié)段的長度尺寸從外圍向內(nèi)部遞減，彎折角度相同，斷料長度由長短料相互彌補，減少了廢料鋼筋的產(chǎn)生。在鋼筋批量加工前，先“放地樣”，將加工出來的鋼筋在地上拼出環(huán)梁形狀，確保尺寸無誤后再進行批量加工。

6.2環(huán)梁安裝

 1)先安裝環(huán)梁馬凳，馬凳安裝前需進行受力計算，應(yīng)充分考慮框架梁和環(huán)梁主筋的層數(shù)、保護層厚度、施工富余量和施工荷載、材料堆放荷載等因素。上鐵馬凳豎向和橫向支撐鋼筋采用直徑32mm以上的鋼筋制作。

 2)環(huán)梁上鐵安裝時從最下一層鋼筋開始，同層相鄰2根鋼筋之間、同位置上下相鄰兩層之間的鋼筋接頭位置應(yīng)按照規(guī)范要求錯開35d，鋼筋安裝時按照“地樣”位置及順序在環(huán)梁上進行安裝。先用直螺紋套筒將環(huán)梁鋼筋首尾相連成環(huán)，再用扳手將“正反絲”型直螺紋套筒擰緊。按照此方法由下層向上層逐層安裝，環(huán)梁上鐵鋼筋完成效果如圖12所示。

 3)上鐵安裝完成后進行箍筋安裝，箍筋安裝時應(yīng)先安裝環(huán)梁鋼筋與框架梁縱筋的非交叉區(qū)域，待框架梁縱筋安裝完成后再進行交叉區(qū)域的箍筋安裝（見圖12）。

 4)環(huán)梁下鐵及環(huán)梁腰筋的安裝方法與上鐵鋼筋相同，相鄰2根鋼筋需錯開接頭35d，環(huán)梁下鐵安裝完成后墊設(shè)與環(huán)梁混凝土同強度等級的混凝土墊塊，環(huán)梁鋼筋安裝完成效果如圖13所示。

 5)環(huán)梁鋼筋安裝完成后進行框架梁縱筋的安裝，縱筋安裝時根據(jù)鋼筋深化圖中鋼筋的位置，先安裝梁上鐵的最下層鋼筋，每安裝1排鋼筋后將鋼筋與轉(zhuǎn)換節(jié)點上縱向加勁板焊接連接，在下層鋼筋焊接完成后進行上一層的鋼筋安裝及與加勁板的焊接。

 6)鋼筋環(huán)梁和框架梁主筋安裝完成后，安裝環(huán)梁與框架梁交叉處的箍筋，由于此處鋼筋縱橫交錯，且角度不一，無法形成封閉箍筋，此處只能采取U形箍筋對插搭接焊連接。

 7)轉(zhuǎn)換節(jié)點與框架梁鋼筋安裝完成后，進行模板安裝和混凝土澆筑。轉(zhuǎn)換節(jié)點處鋼筋縱橫交錯十分密集，振搗棒難以插入節(jié)點內(nèi)部和環(huán)板下部進行振搗，所以混凝土采用高性能細(xì)石自密實混凝土，澆筑完成成型效果如圖14所示。

7  結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測

 高架層下部型鋼混凝土柱承受的荷載較大，實際使用時應(yīng)及時掌握柱內(nèi)力大小變化情況。轉(zhuǎn)換節(jié)點處混凝土澆筑完成后，在轉(zhuǎn)換節(jié)點上部和錐峰節(jié)點下部鋼環(huán)板處安裝振弦式表面應(yīng)變計，進而可以計算應(yīng)力的大小。通過監(jiān)測結(jié)果可以了解柱子的承載狀態(tài)，與設(shè)計計算值進行對比，為以后工程設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。

8  結(jié)語

 昆明南站大型方鋼柱轉(zhuǎn)圓鋼柱轉(zhuǎn)換節(jié)點，不僅截面過渡性好，而且應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯，無明顯的結(jié)構(gòu)薄弱層及薄弱部位，該轉(zhuǎn)換節(jié)點結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，滿足現(xiàn)行國家和鐵路規(guī)范9度抗震的要求，為類似工程的設(shè)計和施工積累了寶貴的經(jīng)驗。