【提要】上海铁路南站站房屋面钢结构工程由铁道部投资建设，法国AREP公司和华东建筑设计研究院设计，是上海铁路枢纽规划的南大门。整个工程用钢量约7500t，屋面钢结构由箱形大梁、桁架檩条、中心内压环、内外立柱和张拉结构组成，广泛采用铸钢节点、钢管钢棒插销节点、法兰节点、拉索牵引节点等多种节点形式。设计构思大胆新颖，造型独特，整个融合了中外建筑师的设计理念，充分体现了现代建筑的风格和新的都市风貌，具有功能全、规模大、技术新的特点。
【主题词】钢结构制造工艺上海南站
1.项目简介
上海铁路南站站房屋面钢结构工程由铁道部投资建设，法国AREP公司和华东建筑设计研究院设计，是上海铁路枢纽规划的南大门。整个工程用钢量约7500吨，屋面钢结构由箱形大梁、桁架檩条、中心内压环、内外立柱和张拉结构组成，广泛采用铸钢节点、钢管钢棒插销节点、法兰节点、拉索牵引节点等多种节点形式。设计构思大胆新颖，造型独特，整个融会了中外建筑师的设计理念，充分体现了现代建筑的风格和新的都市风貌，具有功能全、规模大、技术新的特点。
屋盖钢结构平面为圆形，直径为270m，外形中部呈扁圆锥形，而外周悬挑部分则略为上翘，整个屋面结构由径向布置的18根Y形大梁支撑，大梁在外端分叉成复合的Y形，支撑在内外两圈54根柱子之上，大梁最内端相互支撑在直径为26米的中心内压环上。大梁和柱通过铸钢件连接，大梁之间设置桁架檩条，整个屋面平面内各大梁之间设置了拉索。
2结构体系简介
2.1橄榄主梁
主梁为两次分叉的Y形结构，共18榀。梁高由内至外为1.36-3.56-2.46-0.98m，截面为橄榄形，全长约125米。
主梁环向与檩条结构、环索相连，通过铸钢件节点与内外柱相连，空间位置复杂。
2.2内压环
顶压环共1件，由顶环和内压环两部分构成。顶环由直径4米小圆环和18榀长约13米管板组合梁组成。内压环为三角形管板组合箱型断面的圆环，直径26米，径向与大梁相连。
2.3铸钢件节点：主梁和内外柱通过柱顶Y形的钢铸件支座连接，外环柱顶设置了四根由柱顶至混凝土转换梁的外柱斜索，防止外环柱沿环向的侧移。叉形铸钢件54个，最大外形尺寸2.8×1.9×0.8，重约7t。
2.4拉索体系
结构在05、10、18、28、32、33轴处设置了环向拉索，在主梁下部布置了18组主索，外柱设置了环向拉索。
2.5环形檩条
檩条桁架共32圈。桁架为圆弧形，上下弦为钢管，腹杆为拼接H型钢，斜撑杆为圆钢。主檩条下弦管为钢管对接，普通檩条下弦管通过圆型法兰板焊接连接；上弦为焊接连结和普通螺栓连接。檩条桁架最长26米，最高1.6米。
3结构制作
3.1大梁制作
本工程中变截面的橄榄形大梁横向与檩条结构和环索相连，通过铸钢节点和内外柱相连，大梁内端和内压环相连。大梁的制作是本工程中最关键的技术。
1)大梁共18根，为Y型分支形状，截面为橄榄形组合断面，大梁单件长度125米，宽度34米。根据运输条件、安装方案，大梁分成12个分段，分段按侧卧造位置进行制作拼装，共设2组24只胎架。2)以大梁中心线为水平线位置设置胎架，按每个肋板(劲板)距离设置弧形模板，并在地面平台上，划出中心线、轮廓线等构件的位置线，进行大梁组合件的拼装。3)先分别进行直线或曲线的上弦组件(钢管与T型钢)、下弦组件(钢板与折角钢板)、侧面凹槽、檩条法兰与主加劲肋板、檩条管与主加劲肋板、侧板与次加劲肋板(或侧面凹槽)的装焊和矫正，备用。
4)按顺序进行大梁组合件分段的制作拼装。
5)大梁分段送至预拼装场地，进行大梁的预拼装。
3.2顶压环制作
顶压环共1件，由顶环和内压环两部分构成。顶环由直径4米小圆环和18榀长约13米管板组合梁组成。内压环为三角形管板组合箱型断面的圆环，直径26米，均分成6个分段；内压环分段按反造位置进行制作拼装，顶环圆环不分段，按反造位置进行制作；管板组合梁不分段，按侧造位置进行制作；各设1组胎架。
(1)三角形断面大圆环的制作
a以圆环上弦钢管中心线为水平线位置设置胎架，每个分段设置6块弧形模板，并在地面平台上，划出中心线、轮廓线等构件的位置线，进行圆环组合件的反造。b按顺序进行圆环组合件分段的制作拼装：
CI大圆环分段送至预拼装场地，进行圆环的预拼装。
d最后吊装的圆环分段一端预留100mm余量，
(2)小圆环分段的反造，管板组合梁的侧造，按常规制作，省略。
(3)内压环檩条为钢管，成圆环形状，按钢管长度分段；钢管弯曲后，进行钢管接头的处理，按常规制作；檩条支座安装在管板组合梁上。
33铸钢件制作
本工程的铸钢件材质GS20Mn5，验收标准参照德国标准DINl7182执行。本工程中的铸钢件节点主要是两类：一是大梁下疗张拉结构的连接处；一是大梁和内外柱的连接处。后者是叉形铸钢件，外形尺寸大，最大尺寸28×19x08，重约7t，叉形铸钢件连接大梁和立柱，受力集中复杂，是我们研究的重点。
本工程铸钢件节点用PROE软件建模，木模型制作。为了获得表面光洁的铸件，本铸件采用醇基涂料，涂料层＞2毫米。根据铸钢节点铸件的特点，我们制定浇注系统的基本原则并用模拟凝固软件模拟浇注验证确保铸件质量。热处理是通过加热、保温和冷却的方法，改变钢的内部组织结构，从而改善钢性能的一种工艺。本工程铸钢件节点采用正火加回火消除铸钢件内应力，最终使铸件各项性能指标满足项目要求。
铸件的后处理是铸钢节点生产的最后一道工序，主要内容有：打箱、拆除芯骨、割去浇冒口、打磨、抛丸、表面涂装等，也是形成铸件外观的关键工序。铸件打磨完毕后，经抛九处理使铸件形成均匀一致的外观效果。除铸件与钢管焊接部位外，铸件需作防锈处理。
34檩条桁架制作
檩条桁架共32圈，其中，2~19轴18圈，每圈18榀；20~29轴10圈，每圈36榀；30~33轴4圈，每圈72榀。桁架为圆弧形，上下弦为钢管，腹杆为拼接H型钢，斜撑杆为圆钢。檩条桁架按位置，又分为单钢管檩条、单腹杆桁架檩条、三腹杆桁架檩条；按结构受力大小分为主檩条和普通檩条。主檩条下弦管为钢管对接，普通檩下弦管通过圆型法兰板焊接连接；上弦为焊接连结和普通螺栓连接。檩条桁最长26米，最高1.6米，制作时不分段。檩条桁架均按立造位置进行制作，每圈桁架各设1组胎架。
(1)檩条桁架的制作
a以檩条弦管中心线为水平线位置设置胎架，每个分段设置5~7块弧形模板，并在地面平台上，划出中心线、轮廓线等构件的位置线，进行檩条桁架的立造。
b按顺序进行檩条桁架的制作拼装：
c.擦条桁架分段制作时，用制造的专用定位工夹具，进行桁架两端连接板的安装，确保制作质量，以代替檩条桁架的预拼装。
d檩条桁架分段送至涂装工场，进行檩条桁架的涂装施工。
(2)单腹杆檩条桁架的制作
可按三腹杆檩条桁架的制作方法，但在装配上弦钢管时，应用斜撑杆对下弦钢管的两侧悬臂端，进行临时加固。
其他檩条桁架按常规制作，省略。
4构件分段预拼装
41大梁分段预拼装。大梁共18根，为Y型分支形状，截面为橄榄形组合断面，大梁单件长度125米，宽度34米。大梁构件复杂，连接构件众多，为检验构件制作精度，保障结构现场安装的质量，很有必要在工厂内进行大梁分段的预拼装。根据运输条件、安装方案和结构特点(受力复杂加强区避免分段)，大梁分成12个分段，一段和内压环相连，剩余11个为预拼装分段，分4组进行预拼装。
(1)预拼装按正造位置进行，共设l套4组胎架，预拼装场地的总面积需20米×74米。4组
(2)以大梁旋转的适当位置设置胎架，每个分段设置5块弧形模板；在地面平台上，划出大梁的中心线、轮廓线及分段接头等位置线；分别吊装大梁分段，检查分段接头的对合情况、轮廓线位置的正确性等，进行大梁预拼装的验收。
(3)预拼装完成后，分段送交涂装。
4.2内压环分段预拼装
(1)中心内压环主结构共1件，为三角形管板组合箱型断面的圆环，直径26米，均分成6个分段，每个分段带有三个大梁分段接头。预拼装取3个圆环分段，按正造位置进行分段的预拼装，设1组胎架。预拼装场地面积为15米×28米。
(2)以圆环上弦钢管中心线为水平线位置设置胎架，每个分段设置5块弧形模板，其中3块弧形模板为大梁分段接头的模板；在地面平台上，划出圆环中心线、轮廓线及分段接头等位置线；分别吊装内压环分段，检查分段接头的对合情况、轮廓线位置的正确性等；进行内压环预拼装的验收。
(3)保留1个内压环分段，吊装另3个分段，继续进行预拼装。
(4)预拼装完成后，内压环分段送交涂装。
5节点优化和焊接变形控制
51节点优化
1)狭小空间的焊接施工。箱形主梁高度范围0.98~3.56米，宽度范围0.4~1.5米，主梁的两端都存在由于空间狭小限制而无法施焊的问题。在大梁内端(1~5#轴线段)通过合理安排装配顺序和设置嵌补段，在外壳板上开人孔，完成内部龙骨和隔板与外壳板的连接后，单面衬垫完成结构的封闭焊接；在大梁外端(30~35#轴线段)，按照由内向外倒退的顺序装焊，最后单面衬垫焊接。
2)与檩条连接节点优化。原设计中，檩条上弦通过高强度螺栓和大梁连接，下弦通过法兰、高强螺栓连接。优化后，上弦变更为普通安装螺栓加焊接连接，下弦为管板连接，连接板上焊接内衬管，既便于檩条定位，又可作为焊接的内衬垫，保证焊接接头的质量。高强度螺栓连接对制作安装的精度要求较高，对钢材表面摩擦系数也有较高的要求，相比之下，焊接连接的误差调整空间较大，生产效率较高，而且随着焊接技术的进步，焊接质量也得到保证。
3)柱拉索连接节点的优化。原设计图纸中外柱柱顶铸钢件和拉索联系方式为内螺纹连接；优化后连接方式改为外螺纹连接：即增加套筒连接铸钢件和拉索。节点优化既保证了连接接头的受力所需壁厚，降低了加工的难度，又方便了现场的安装施工。
52焊接变形控制。
大梁板厚范围8~40mm，厚薄板收缩不均匀，焊接方向的变化，焊接方法的应用等都极易引起结构的变形；尤其是大梁外壳板，壁厚仅8~10mm，对成型的要求效果很高。据此制定以下具体方案来控制结构的变形：利用建立的三维模型，摘取相关零件的精确尺寸，不规则零件数控切割；在构件长度方向上增放焊接收缩余量或切割余量，保证构件的长度尺寸；对H形、T形焊接断面的翼缘板采取反变形的措施消除角变形；对异形空间弯曲的零部件，用模板检验，不合格的在组装前矫正，确保变形在误差范围内；对称断面焊接施工时对称焊，减小侧向变形和扭曲；对复杂节点的焊接采用先大后小的焊接顺序或强制变形的措施；采用焊接变形小的焊接方法，如C02气体保护焊和埋弧细丝焊；在装配和焊接的过程中，注意测量构件的变形，及时调整焊接速度和有关参数。
6结束语
总之，上海铁路南站钢屋盖结构是一个非常特殊的大跨度钢结构工程，很多问题(如铸钢件的制作和验收，橄榄形大梁的制作等)超出了规范规定的范围。我们希望通过工程实践，对工程中出现的新问题、难问题进行研究，总结出切实可行的方案。 |
