無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法

《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》是中鐵四局集團有限公司完成的建築類施工工法；作者分別是陳寶民、龔劍波、劉輝、劉瑜、杜世軍；適用範圍是鋼管及相類似的鋼管桁架結構，尤其是車站站房、車站無柱雨棚、各種體育場館、會展中心、機場等其他大跨度鋼管桁架結構工程。

《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》主要的工法特點是工廠化生產模式，採用埋弧自動焊接機械和可程式控制的三維數控切割工具機，以及胎具製作構件；設計製作專用的運輸支架和安裝輔助支架。

2008年1月31日，《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法
• 工法編號： YJGF187-2006
• 完成單位：中鐵四局集團有限公司
• 主要完成人：陳寶民、龔劍波、劉輝、劉瑜、杜世軍
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2005-2006年度）

形成原因

無站台柱雨棚鋼管桁架結構是套用於車站雨棚的一種新型建築形式，與老式站台雨棚相比，它具有視野開闊、造型美觀的優點。鋼管桁架結構是由桁架柱、桁架主次梁組成。因其強度高、剛度大，構件截面小，有利於建築空間的拓展，適用於車站大跨度空間建築結構。中鐵四局完成了中國國內第一個無柱雨棚工程（北京站）的施工，並綜合北京西站、瀋陽北站、南京站、上海南站等無站台柱雨棚施工技術，總結形成《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》。隨著國家對無站台柱雨棚鋼管桁架結構套用的擴大，該項技術具有廣闊的市場前景。

工法特點

《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》的工法特點是：

1.工廠化生產模式，採用埋弧自動焊接機械和可程式控制的三維數控切割工具機，以及胎具製作構件，提高構件製作質量，確保全裝工作的快速和精確。

2.設計製作專用的運輸支架和安裝輔助支架，安全、便捷解決了構件的運輸和安裝問題。

操作原理

適用範圍

《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》適用於鋼管及相類似的鋼管桁架結構，尤其是車站站房、車站無柱雨棚、各種體育場館、會展中心、機場等其他大跨度鋼管桁架結構工程。

工藝原理

《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》的工藝原理敘述如下：

1.在無站台柱雨棚鋼管桁架結構冬期施工中，針對高空低溫環境對焊接參數試驗對比研究，掌握高空低溫焊接技術，編制高空低溫焊接工藝。

2.針對鋼管桁架結構特點，研究套用鋼管相貫切割組焊技術，掌握鋼管相貫切割的程式編制、鋼管組焊工裝設計以及編制施工工藝。

3.採用不中斷車站運營條件下大型構件吊裝安全技術，不影響發車的正常運營，在鐵路上空接觸網密布的情況下，確保大型樑柱構件準確安全地吊裝就位。

施工工藝

• 工藝流程

《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》的施工工藝流程是：

根據車站現場條件以及無站台柱雨棚工程施工的特點，制定總體施工工藝流程（圖1）。根據總體施工工藝流程，確定出分部分項的施工工藝。

圖1 總體施工工藝流程

一、製作工藝流程

鋼管桁架結構製作難點在於桁架梁、桁架柱等主構件尺寸控制及焊接變形控制，主構件製作詳細工藝流程見圖2、圖3。

圖2 桁架梁製作工藝流程

圖3 桁架柱製作工藝流程

二、安裝工藝流程

為滿足運輸限界要求，並為提高安裝的安全性，桁架梁採用分段吊裝組拼的方案。

安裝工藝流程：

測量放線→清理基礎→運輸（吊車及構件）→桁架柱吊安裝→胎架搭設→桁架梁的分段安裝→校正→焊接→焊接檢驗→塗裝補刷→驗收。

操作要點

《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》的操作要點（圖4）如下：

圖4 北京站鋼管桁架結構立面示意圖

一、原材料檢驗

所有主構件材料和焊接材料進場時檢查材料質檢證明書、合格證等質量證明檔案，並按規範要求進行復驗。

二、下料

1.下料前審核設計檔案，根據設計檔案對所有下料的裝配件按比例放樣，並形成書面技術交底資料。

2.編制桁架鋼管相貫線切割程式進行相貫線接口的切割，按照設計檔案進行三維建模，利用三維模型生成相貫線接口圖形，運用專用軟體將圖形轉換為相貫線接口的平面圖形，並將此圖形轉換為相貫線切割程式，檢查無誤後輸入到相貫線切割機內進行相貫線接口的切割。

3.鋼板採用半自動切割機下料。

4.切割前將鋼材切割區域表面的鐵鏽、污物等用鋼絲刷清除乾淨，切割後清除熔渣和飛濺物。

5.要求全熔透的焊縫，按設計要求開制坡口。

6.普通制孔採用半自動切割機氣割，對孔徑及孔壁有特殊要求的採用搖臂鑽或磁力鑽來完成。

7.所有下料零部件編號標識，分類堆放。

三、組裝焊接

1.組裝焊接前，根據桁架結構形式設計製作桁架柱和桁架梁胎具；胎具充分考慮到構件的重量與變形應力，通過胎具的高精度和高強度來保證構件的尺寸公差。

2.桁架柱胎具由型鋼、鋼板組焊成鋼平台，在鋼板上焊接角鋼作為橫擔及擋塊作為定位塊和夾具，以提高桁架柱裝配速度。

3.桁架梁胎具製作前，根據地基承載力設計基礎的預理件；用型鋼作地樑上部焊接垂直的型鋼桁架柱作為立柱、角鋼做斜撐。立柱上設定牛腿作為弦桿支撐點；並在胎具兩側設定固定測量定位點，構件拼裝前，對相應的胎具幾何尺寸、軸線、標高進行複測、檢查、校正。

4.桁架梁和桁架柱拼裝原則

1）根據外形尺寸桁架柱可拼裝焊接成整體。

2）為便於運輸方便，桁架梁整拼裝後分段。

5.組裝

同一類型的構件在同一胎模上拼裝。拼焊時先將焊口周邊的污物清理乾淨，將內襯管放入各拼接接口內，然後將預先製作好的各個單元插接拼對好，拼好後對構件的幾何尺寸、坡口質量、組對間隙進行檢查，符合要求後進行定位點焊。

6.焊接施工

鋼管桁架結構焊接的接頭形式主要有V形坡口、T形角焊縫等形式的焊接；根據各焊接節點、焊縫形式、位置與母材材質編制相應的焊接工藝，根據每種接頭形式按所編制的焊接工藝焊接成試件進行抗拉、抗彎、衝擊試驗並對試驗結果進行評定，進一步完善焊接工藝。

1）焊接的前期準備

a.焊接前的防護

焊接前，在焊接處搭設穩固的焊接操作平台做好防風雨措施。

b.焊條的預熱處理

焊條在焊接前放入烘箱裡烘烤，施焊過程有保溫桶保持焊條的溫度，烘烤溫度及保溫時間按照焊接工藝要求確定。

2）焊接

定位點焊：定位點焊時採用與正式焊接相同的焊接材料，焊接電流比正式施焊時加大15%為宜每段長度控制在40~60毫米，間隔300~400毫米；點焊牢固後檢測構件的幾何尺寸並及時進行校正。

焊前清理：將定位焊處焊皮、飛濺、霧狀附著物仔細清除，定位焊起點及收弧處必須用磨光機修磨成緩坡狀，並確認無未熔合、收縮孔等缺陷存在。

正式焊接：此工序是該工藝流程的一道重要工序，焊前制訂焊接工藝規程及低溫焊接保護措施，並進行焊接工藝評定；採取對稱和分層施焊的工藝措施來減少和防止焊接變形和焊接應力，並及時採取火焰加熱的手段校正變形。採用CO₂氣體保護焊打底和填充，手工焊蓋面。

a.根部焊接：根部施焊應自下部起始處超越中心線100毫米起弧與定位焊接頭處前行100毫米受弧，再次施焊應在定位焊縫上退行100毫米引弧，在頂部中心處熄弧時應超越中心線至少10毫米；另一半焊接前應將前半部施焊及收弧處修磨成較大緩坡狀並確認無未熔合及未熔透現象後在前半部焊縫上引弧。上部接頭處應不熄弧連續引帶至接頭處5毫米時稍用力下壓，並連弧超越中心線至少一個熔池長度（10~12毫米）才允許熄弧。

b.填充層的焊接：焊接前剔除首層焊道上的凸起部分及引弧收弧造成的多餘部分，仔細檢查坡口邊沿有無未熔合及凹陷夾角，如有採用角向磨光機或氣創除去，應注意不得傷及坡口邊沿。焊接仰焊部分時採用小直徑焊條，仰爬坡時電流稍小，立焊部位時先用較大直徑的焊條電流適中，焊至爬坡時電流逐漸增大，在平焊部位再次增大。焊條呈月牙形運行，在接近面層時，注意留出1.5~2.0毫米的深度，且不得傷及坡邊。

c.面層的焊接：在面層焊接時，選用適中的電流值並在坡口邊熔合時間稍長一些，焊接搭接時將收弧處清理乾淨，確保外觀質量滿足質量要求。

3）焊接變形的控制

成立焊接變形控制攻關小組，通過試驗確定合理的焊接工藝；設計專用工裝對構件剛性固定，焊接過程設定停檢點檢驗、校正（火焰校正），且嚴格按照焊接工藝採用對稱焊、分段焊等方法予以控制。

環境溫度過低時，必須充分考慮低溫施工措施。將對焊縫焊前進行預熱處理，焊後在焊縫左右200毫米範圍內採用石棉繩多層捆綁進行保溫，使焊縫溫度緩慢冷卻，以保證焊縫焊接質量。

4）分段

由於運輸限制，桁架梁必須分段運輸，分段的主要原則如下：

1）滿足貨物運輸限寬限高要求。

2）考慮結構的受力，保證斷點位置離節點有一定距離且弦桿間斷點必須錯開。

3）利於現場安裝和搭設承重胎架。

4）斷點切口方向應利於安裝就位。

在運輸前對桁架梁組裝成整後，檢查其幾何尺寸精度符合質量規定，按要求分割。分段採用模板劃線、手工氣割的方法，並在斷口處開制坡口。

現場分段試拼裝完成後對桁架部件進行檢查，如發現有超差變形則必須進行矯正。各工序完工後，對構件進行全面檢測，測量數據整理成資料存檔，合格後發放合格證。

拼裝完成後將管口用塑膠布封頭，防止雨水進入；所有焊縫處用電動鋼絲刷清理乾淨，分段後在斷點斷面處標出軸線位置。

5）焊縫檢測

焊縫檢測主要為外觀檢查和非破壞性檢查，非破壞性檢查主要手段為超音波探傷。

四、構件運輸

運輸時設定專用支架作為支護，用手拉葫蘆或捯鏈使構件牢固，並用鋼絲繩結合花籃螺栓設定倒八字防竄措施，以保證在運輸過程中構件穩定、減少變形、提高裝卸效率。

對主桁架構件根據安裝方向確定裝車方向，以利於卸車就位。

五、吊裝作業

按列車要點計畫，提前由機車牽引進入施工地點，按現場標識位置，停好待命。現場將吊具、支腿枕木、爬梯準備好，確保全裝正常施工。

1.桁架柱吊裝

1）桁架柱的吊升

桁架柱的吊升採用旋轉法進行。吊車起臂邊升鉤、邊迴轉，使柱身繞柱腳而旋轉，當桁架柱由水平轉為直立後，將桁架柱吊離地面，然後轉至基礎上方，將桁架柱落在基礎頂面對正。

2）桁架柱的對位和臨時固定

當柱腳離基礎頂面約30~50毫米時進行對位；對位後桁架柱落到基礎頂面，在桁架柱中心線與基礎軸線重合後，用鋼楔塊沿桁架柱四邊打緊，使桁架柱臨時固定。

3）桁架柱的校正固定

桁架柱吊裝後進行平面位置、垂直度和標高的校正；採用楔形鐵或鋼板進行調整，桁架柱校正後立即進行固定。

2.桁架梁吊裝

1）承重胎架及加固腳手的搭設

按軸線位置和桁架分段處所對應的位置搭設承重胎架，其上固定可調的螺旋千斤頂；承重胎架採用鋼管，搭設高度為桁架下弦以下200~500毫米。

2）桁架梁分段部分現場拼裝

利用吊車將需拼裝的桿件吊裝就位點焊，利用手拉葫蘆進行調整找直、對口。

3）桁架梁分段部分吊裝

將鋼絲繩在預定吊點處掛好，梁的兩端綁上牽引繩；構件吊起後通過梁兩端的牽引繩將梁在空中旋轉到位。將梁端與端梁的接口對準，檢查接口的對接間隙、錯邊量、套管安裝，接口對正後用專用抱箍將接頭卡緊。進行點焊，定位點焊後檢查對接接口，滿足要求後正式進行焊接。

4）測量控制

桁架梁安裝測量內容：桁架梁直線度、軸線、標高及變形控制。

5）現場高空焊接

焊前檢查對焊接坡口的潔淨度、對接間隙、坡口尺寸、坡口表面平整度；焊接採用分層多道焊進行，每層焊縫厚度不大於5毫米，焊完後將焊渣徹底清理乾淨。

焊接過程中層間溫度控制在120℃以上；各層間的焊渣、飛濺等必須清理乾淨，焊接採用直流焊機手工電弧焊。

6）檢驗、校正

拼安裝質量是控制主體鋼結構工程質量的最後一關，因此在吊裝、拼裝及安裝過程中，必須用經緯儀、水準儀對桁架上下弦桿件的直線度上下弦的拱高隨時進行檢測，並與設計值進行比較，以便對鋼桁架進行全方位的質量跟蹤監測。

7）焊接檢驗

焊接完成24小時後進行焊縫的外觀檢查，外觀合格後進行超音波探傷。

材料設備

《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》無需特別說明的材料，採用的機具設備見表1。

表1 主要施工機械和檢測試儀器配備表

序號	設備名稱	規格型號	單位	數量	備註
1	三維數控相貫線切割機	SKGG-B2	台	1	相貫線切割
2	CO2氣保焊機	ND315CO2/MAG 20千伏安	台	30	構件焊接
3	半自動切割機	CG1-30	台	2	╱
4	搖臂鑽床	Z35A	台	3	制孔
5	磁力鑽	JIC-AD02-23	台	4	檁條制孔
6	剪板機	Q11-8×2500	台	1	╱
7	直流電焊機	ZX5-630 25千伏安	台	20	安裝現場焊接
8	碳弧氣刨	ZXJ	台	1	╱
9	拋丸機	WL-2 140千伏安	台	1	╱
10	噴砂成套設備	╱	套	1	製作現場
11	交流電焊機	BX1-400 25千伏安	台	58	構件焊接
12	電焊條烘乾爐	ZYM30	台	8	╱
13	電焊條烘乾箱	ZYHC-30	台	8	╱
14	磨光機	╱	台	20	╱
15	保溫桶	╱	個	40	╱
16	汽車起重機	QY-20	台	2	製作現場裝卸
17	汽車起重機	QY-25	台	2	製作現場倒運
18	汽車起重機	QY-40	台	2	製作現場倒運
19	汽車起重機	QY-50	台	4	安裝現場吊裝用
20	汽車起重機	QY-80	台	2	安裝現場吊裝用
21	龍門起重機	40噸	台	1	製作現場
22	龍門起重機	25噸	台	1	製作現場
23	平板拖車	30	輛	4	運輸
24	超音波探傷儀	CTS-22	台	2	╱
25	水準儀	DSX2	台	2	╱
26	經緯儀	J2	台	3	╱
27	Ⅱ級全站儀	DTM2	台	1	安裝現場

質量控制

採用《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》施工時，嚴格執行《鋼結構工程施工質量驗收規範》、《建築鋼結構焊接技術規程》，做到規範操作。

一、製作允許偏差

1.桁架柱製作允許偏差，見表2。

表2 桁架柱製作允許偏差

項目	允許偏差（毫米）	項目	允許偏差（毫米）
幾何外形尺寸	±L/2000，±10	鋼管彎曲矢高	±L/1000，且≤5
鋼管與柱腳板垂直度	±L/1500，且≤8	柱腳底面平整度	5

2.桁架梁製作允許偏差，見表3。

表3 桁架梁製作允許偏差

項目	允許偏差（毫米）	項目	允許偏差（毫米）
幾何外形尺寸	±L/2000，±10	水平桿直線度	6
曲率半徑	±50	管一管對接軸線交點錯位	3
兩彎管軸線平行度	5	╱	╱

二、質量保證措施

1.加強圖紙的審核，及時與設計單位溝通，細化構件節點圖。

2.確定施工中的關鍵工序，編制施工工藝卡及焊接工藝規程；並進行焊接工藝評定，根據評定結果進一步完善焊接工藝。

3.制定嚴格的材料管理制度，所有替代材料或施工工藝的改變須事先徵得設計單位的同意。

4.嚴格執行ISO 9001-2000質量體系，對每一道工序進行自檢、互檢、專檢。

5.管與管對接位置焊縫為一級，必須全部進行超音波檢測，保證符合要求。

6.開展QC小組活動，組織技術攻關，改進施工工藝。

安全措施

採用《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

1.進入施工現場必須戴安全帽，登高作業必須系好安全帶、穿防滑鞋，工具應放置工具包內。

2.鋼結構是良好的導電體，四周接地良好；施工用的電源線採用膠皮電纜線，所有電動設備應裝漏電保護開關，嚴格遵守安全用電操作規程。

3.施工中的氧氣、乙炔氣瓶按規定安全距離擺放。

4.吊裝作業前檢查索吊具是否符合規格要求，是否有損傷，所有起重指揮和操作人員持證上崗；空中吊裝時，構件兩端要系好攬風繩，構件上嚴禁站人。

5.吊裝分段桁架時，檢查承重胎架可有足夠的強度、剛度及穩定性。

6.風力超過六級或雷雨時應禁止施焊、吊裝作業，夜間作業保證有足夠的照明。

7.檢查焊接區域有無易燃物品，施焊位置應下掛耐高溫的物件，防止熔渣飛濺。

環保措施

《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》的環保措施如下：

1.強化對員工環保意識的教育，提高全員的環保意識。

2.採取經濟手段和技術手段並用的方法控制環保。

3.施工中產生的焊條短頭、包裝物、焊渣及其他廢棄物採取每日清理，集中統一的方法處理。

4.構件的翻轉、吊裝時地面墊以較軟的物體如枕木等，減少噪聲的產生或降低其強度。

效益分析

1.《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》減少了對車站正常運營的干擾，站台、股道占用時間短，施工期間旅客仍然能夠正常的乘車，具有技術先進、縮短施工周期、能做到文明施工和安全生產等優點，具有較好的社會效益和經濟效益。

2.《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》使無站台柱雨棚工程施工進度加快，多台套簡捷的胎具的重複使用，並在樑柱焊接過程中大量採用CO₂氣體保護焊，焊接速度快、焊接質量穩定，比計畫工期縮短約10%，運用此工法後，各項費用相應降低。

3.由於施工進度快、質量好、安全無事故，受到甲方、監理及各個鐵路局的好評，為中鐵四局在鐵路內鋼結構建築市場樹立了良好的信譽。

套用實例

《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》的套用實例如下：

• 實例1

北京站擴能改造工程無站台柱雨棚是鐵路上第一座無站台柱雨棚，其主體結構為A、B、C、D四軸線三連跨連續拱形鋼管式桁架結構，跨度為41.09米、46米、41米，懸挑20.5米，桁架柱採用3根Φ500×24毫米的鋼管與柱底板焊接，腹桿Φ159×6毫米鋼管在3根鋼管柱之間相貫而成；鋼桁架梁截面為三角形，分別由3根Φ377×18毫米鋼管與Φ159×6毫米腹桿焊接，部分外包Φ417×20毫米鋼管；A、D軸外側分別設定外伸20.5米的懸挑結構梁；屋面檁條採用H220×450×4.5×9和H220×450×6×9高頻焊接H型鋼。

北京站無站台柱雨棚建築面積為78796平方米，總用鋼量約8000噸，其中桁架柱75噸、桁架梁3000噸、檁條及其連線系約4250噸；該結構設計新穎、造型獨特、施工難度大。中鐵四局集團有限公司於2003年9月中旬開始鋼構件製作，2004年6月25日安裝全部完成；2004年7月9日竣工驗收完畢，工程質量滿足設計和規範要求，達到優良（圖5）。

圖5 北京站無站台柱雨棚

實例2

上海鐵路南站無站台柱雨棚鋼結構覆蓋總面積為42908平方米，總重量為2763噸，其中桁架梁236榀，縱向桁架梁254榀，立柱118根。單位面積重量約65千克/平方米。

上海鐵路南站無站台柱雨棚於2005年7月9日開始製作，期間受到專列及施工要點的影響，施工期間要跨過春運，於2005年12月28日全部完成鋼管桁架結構的安裝，總施工工期為5個月，採用了分區分片的構件製作、安裝，屋面檁系屋面板、接觸網實施平行立體交叉作業。縮短施工工期3~4個月左右。

• 實例3

瀋陽北站為東北三省客運中轉站，京哈、哈大、瀋吉鐵路、秦瀋客運專線交匯處，重要的鐵路交通樞紐，站內有到發線和正線17條，並且有六座站台，改建後的無站台柱雨棚採用新型的管桁架結構，主體每由兩跨、一個懸挑、三根立柱組成，自基本站台（一站台）向六站台跨度布置59.2米+66.5米+20.85米。主體結構為19榀上弦斜拉索鋼管桁架結構，自高架候車室分為東西兩大部分，總建築面積57207平方米。

瀋陽北站無站台柱雨棚跨度大，中間跨66.5米覆蓋三個站台並且跨越7股道，站內車流、客流密度大。採用該工法，鋼桁架結構施工不僅在施工期間最大限度地減少對運營的影響，同時在施工總工期上能夠提前一倍以上。

另外受東北氣候因素影響，低溫施工質量不易保證，有效的工作時間較短。鋼桁架施工分為兩個階段，第一階段為2004年9月~2004年11月（鋼立柱的加工製作與安裝），第二階段2005年3月~2005年6月（桁架梁的加工製作與安裝），在工期要求緊，場地有限，為儘可能小的影響瀋陽北站正常運營，施工封鎖股道有限，作業面少，採用該工法施工，將工程分步實施，製作安裝流水作業，合理利用了時間和有限的空間。

瀋陽北站無站台柱雨棚鋼結構工程在場地條件複雜，施工制約因素多，質量要求高，採用該工法，嚴格按照工藝要求進行，使得桁架整體製作，分斷安裝吊裝順利，合龍尺寸滿足要求（圖6）。

截至2005年，中鐵四局集團有限公司已完成北京站、北京西站、南京站（圖7）、上海南站、濟南站、昆明站，瀋陽北站，江蘇新長線三站（淮安、南通、鹽城）等無站台柱雨棚工程，為中鐵四局立足於鐵路內鋼結構建築市場打下了基礎。

榮譽表彰

2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》，《無站台柱雨棚鋼管桁架結構施工工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。