昆明南站大型十字转圆钢柱抗震转换节点分析及施工技术

 韩  锋

 （中铁建设集团有限公司，北京  100131）

[摘要]云南为地震多发地区，昆明南站高架候车层梁柱节点由下部大型十字型钢骨转换为圆钢柱，经过有限元分析及三维BIM设计，在十字下节柱和圆管型上节柱之间连接一个中空的转换节点，节点外围有钢筋混凝土环梁包裹。这种结构的转换节点不仅截面过渡性好，而且应力集中现象不明显，结构设计能满足现行国家和铁路规范9度抗震的要求。另外，对工程中的施工难点及关键施工技术进行了研究，并采取了针对性的解决措施，取得了良好的效果。

[关键词]钢骨柱；抗震；转换节点；环梁；有限元分析；施工技术

[中图分类号]TU745.4[文章编号]1002-8498（2016）10 -0014 -04

0  引言

 昆明南站主体结构采用型钢混凝土组合结构，高架候车厅以下为型钢混凝土组合结构的方形柱，以上支撑屋盖竖向结构为圆钢柱；梁柱节点采用大型十字钢骨柱转圆钢柱9级抗震转换节点，该节点通过在方形下节柱和圆管形上节柱之间连接一个中空的转换体，该转换体包括柱顶套管和相连接的圆锥形钢管，节点外围由钢筋混凝土环梁包裹。

1  工程概况

 昆明南站是集铁路、地铁、公交、出租等市政交通设施为一体的特大型综合交通枢纽。总建筑面积334 736. 5m2，站房长438. 25m，东西向宽226m。抗震设防烈度8度，按9度设防，混凝土耐久性100年。采用内含钢骨柱、钢骨梁的框架梁板柱结构，车站建筑自上而下依次为高架层、站台层、出站层和地铁站台层。

2转换节点分析

2.1节点分析

 高架层梁柱转换节点结构形式复杂，如图1所示。节点下部连接十字型钢骨柱，节点上部连接圆形钢管柱，内灌混凝土，外包环梁，节点做“方变圆”，节点四周与混凝土框架梁连接。

 转换节点详细描述如图2所示，其包括下部十字形下节钢骨柱1，圆管形上节柱2，中空的圆锥形钢管套靴过渡转换体3，十字形下节劲性钢骨翼缘板外焊有栓钉4（规格为ɸ22×120），套靴部位外焊栓钉7（规格为ɸ16×120），钢管套靴过渡转换体3的宽端与柱顶套管的顶端的连接处外周套设有环形抗剪牛腿5，环形抗剪牛腿5的上、下端面沿四周设置有多块纵向加劲板，钢管套靴过渡转换体3的窄端与圆管形上节柱2的底端的连接处外周套设有加强连接环6，加强连接环6的上端面沿四周设置有多块纵向加劲板。

 大型十字钢骨柱转圆钢柱转换节点长7 500mm．宽3 800mm，高3 000mm，重为51t，其中最薄钢板厚度为32mm，多数钢板厚度为50mm，少数钢板厚度为60mm，纵向加劲板钢板厚度较大且间距较小，平均每块加劲板单侧焊接3层ɸ40框架梁主筋。

2.2抗震参数

昆明南站设计时采用的抗震参数如表1所示。

2.3转换节点有限元分析

 对由环形连接件与钢筋混凝土环梁构成的钢骨混凝土转换节点进行有限元抗震受力分析，节点区钢套管和型钢最大应力为67. 6MPa，远小于节点钢材Q345的屈服强度345MPa，故不会发生屈服破坏，并且可较大程度上降低转换节点的施工难度，使钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁能紧密结合，钢管受拉承载力能保持连续，节点的承载力能够满足设计要求，如图3所示。

3环梁结构分析

 转换节点四周由矩形和异形的封闭钢筋环梁包围，并与结构框架梁连接，在钢筋环梁范围内，钢筋纵横交错，钢筋直径大、数量多、间距密，钢筋加工及施工难度极大，其中方形环梁用于中间柱，三角形环梁用于边柱，如图4所示。

 经受力分析计算，钢筋骨架的最大应力为89. 8MPa．远小于HRB400钢筋的屈服强度

360MPa，钢筋不会屈服，故该节点满足承载力极限状态设计要求。

4转换节点加工

4.1加工工艺流程

 厚钢板折弯成型→节点下壁板组装定位、十字形劲性钢骨柱组装→过渡节点上壁板、上段钢管柱组装→加强连接环、环形抗剪牛腿→转换节点焊接→转换节点应力消除。

4. 2厚钢板折弯成型

 采用2 000t油压机对壁板进行冷压加工成型，如图5所示。

4.3节点组装（见图6）

4.4转换节点焊接残余应力消除

 转换节点采用的钢板厚度大且焊接复杂，因此应力消减至关重要，采用振动时效法( VSR)对节点进行焊接残余应力的消除。按图7放置各振动工艺装备与辅件后，将节点放在托架上，应保证振动装置橡胶垫压缩均匀。激振器用[型夹具固定在节点振动端的上方，偏心矩设定为32%。加速度传感器放在激振器下方的钢柱内，设备供电为AC220V-20A，VSR全自动振动消除应力系统如图7所示。

5  转换节点安装

5.1三维建模、施工模拟

 通过Revit，AutoCAD等软件对转换节点进行三维建模，直观分析节点安装工况，确定每一次吊装的吊车型号、行走线路、起重机站位、构件挂钩位置、焊接时间、场地障碍等各种施工中可能遇到的影响因素，如图8所示。

5.2转换节点下柱施工

 转换节点下部为十字型钢混凝土柱，柱钢筋需锚入转换节点内部，转换节点内部为中空的变截面空间，直线条的钢筋无法进入转换节点内部。通过“平直段+曲线段”的连接方式将钢筋伸入转换节点内部，如图9所示。

5.3转换节点上柱施工

 从转换节点上部将弯曲段钢筋放入转换节点内，施工人员进入转换节点内部，将柱弯曲段钢筋与接头甩入转换节点内的平直段钢筋连接，弯曲段钢筋根据转换节点内部中空变截面角度，对钢筋预先弯折，并保证深入节点内部的钢筋满足锚固长度的要求，如图10所示。

5.4转换节点混凝土施工

 钢筋安装完成后，对转换节点下部与框架柱之间的缝隙进行封堵并浇筑混凝土，下节柱混凝土成型效果如图11所示。

6环梁施工

6.1  环梁钢筋加工

 环梁主筋下料采取“标准段+局部调节段”的办法来减少钢筋断料的规格和废料的产生，标准段钢筋为统一尺寸，不存在废料的产生，调节段的长度尺寸从外围向内部递减，弯折角度相同，断料长度由长短料相互弥补，减少了废料钢筋的产生。在钢筋批量加工前，先“放地样”，将加工出来的钢筋在地上拼出环梁形状，确保尺寸无误后再进行批量加工。

6.2环梁安装

 1)先安装环梁马凳，马凳安装前需进行受力计算，应充分考虑框架梁和环梁主筋的层数、保护层厚度、施工富余量和施工荷载、材料堆放荷载等因素。上铁马凳竖向和横向支撑钢筋采用直径32mm以上的钢筋制作。

 2)环梁上铁安装时从最下一层钢筋开始，同层相邻2根钢筋之间、同位置上下相邻两层之间的钢筋接头位置应按照规范要求错开35d，钢筋安装时按照“地样”位置及顺序在环梁上进行安装。先用直螺纹套筒将环梁钢筋首尾相连成环，再用扳手将“正反丝”型直螺纹套筒拧紧。按照此方法由下层向上层逐层安装，环梁上铁钢筋完成效果如图12所示。

 3)上铁安装完成后进行箍筋安装，箍筋安装时应先安装环梁钢筋与框架梁纵筋的非交叉区域，待框架梁纵筋安装完成后再进行交叉区域的箍筋安装（见图12）。

 4)环梁下铁及环梁腰筋的安装方法与上铁钢筋相同，相邻2根钢筋需错开接头35d，环梁下铁安装完成后垫设与环梁混凝土同强度等级的混凝土垫块，环梁钢筋安装完成效果如图13所示。

 5)环梁钢筋安装完成后进行框架梁纵筋的安装，纵筋安装时根据钢筋深化图中钢筋的位置，先安装梁上铁的最下层钢筋，每安装1排钢筋后将钢筋与转换节点上纵向加劲板焊接连接，在下层钢筋焊接完成后进行上一层的钢筋安装及与加劲板的焊接。

 6)钢筋环梁和框架梁主筋安装完成后，安装环梁与框架梁交叉处的箍筋，由于此处钢筋纵横交错，且角度不一，无法形成封闭箍筋，此处只能采取U形箍筋对插搭接焊连接。

 7)转换节点与框架梁钢筋安装完成后，进行模板安装和混凝土浇筑。转换节点处钢筋纵横交错十分密集，振捣棒难以插入节点内部和环板下部进行振捣，所以混凝土采用高性能细石自密实混凝土，浇筑完成成型效果如图14所示。

7  结构安全监测

 高架层下部型钢混凝土柱承受的荷载较大，实际使用时应及时掌握柱内力大小变化情况。转换节点处混凝土浇筑完成后，在转换节点上部和锥峰节点下部钢环板处安装振弦式表面应变计，进而可以计算应力的大小。通过监测结果可以了解柱子的承载状态，与设计计算值进行对比，为以后工程设计提供参考数据。

8  结语

 昆明南站大型方钢柱转圆钢柱转换节点，不仅截面过渡性好，而且应力集中现象不明显，无明显的结构薄弱层及薄弱部位，该转换节点结构具有良好的抗震性能，满足现行国家和铁路规范9度抗震的要求，为类似工程的设计和施工积累了宝贵的经验。