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解密结构 – 英国滑铁卢国际列车站 TRAIN-SHED 钢结构制作

2021-08-02 15:37:06 佛山市昊顺商贸有限公司 阅读

钢结构制作

与三铰拱桁架的制造相关的一个重要问题是:需要设计一种经济的方法来应对主受力桁架由北至南沿着轨道曲线方向跨度逐渐变小而引起的尺寸和高度的变化。否则每一榀拱架各不相同,则制作施工均极为不便且造价高昂。对此,结构设计对三铰拱主拱架的几何尺寸的渐变已经作了考虑,所有杆件的空间位置都是按照成比例的缩放来实现的,如下所示:


由上图可见,主桁架的跨度从48.5 m逐步减小到32.7 m,并且屋顶的总高度以及桁架的深度和宽度与跨度的减小成比例地缩小。通过保持所有三铰拱桁架的某些关键控制尺寸不变(例如,基础铰链之间的高度差)并按比例缩小所有其他桁架的尺寸,大多数节点处的几何形状对于所有桁架都是相同的-仅与其连结的杆件长度有所不同。同时在桁架缩放的过程中,对三铰拱桁架各次杆件直径的变化限制为两个,这意味着每个节点连接仅需要两个不同的模式。因此实现了显著的标准化程度,这使得制造成本可以控制在可接受的范围内。这也意味着所有桁架的外观都非常相似,并且掩盖了桁架尺寸的变化是逐步发生的事实。实际施工完成的结构给人的视觉感受似乎在不断渐渐地缩小,而不是不连续地突变,这也是建筑设计想要通过该建筑传递给人们的视觉感官质量的一个非常重要的元素。


基于上述原则,三铰拱桁架各杆件与杆件间的空间汇交节点的杆件连结节点构造对不同跨度的拱架都是一致的。这给钢结构的节点制作带来了极大的方便。因为这种标准化的节点设计可以以使钢结构的制作变得大大简化和标准化,也极大地降低了钢结构构件的制作成本。但尽管如此,由于主拱架各汇交杆件的节点的几何形状还是比较复杂。因此,实现在视觉上令人满意的复杂的空间三维节点问题的关键是使用可焊接铸钢节点(如下图所示)。


每个三铰拱桁架的两个基座铰节点和顶部铰节点是三铰拱的主连结传力节点,所以这三个节点的尺寸被设计得很大,并在造型上被设计为既显得精致优雅又能够实现结构功能的形式。而构造最复杂的铸钢节点发生在主桁架的受拉侧,如前图所示,每个节点上最多有五个杆件单元和与稳定结构相关的另外三个拉杆与之相连。因此使用铸钢节点可以大大简化节点的形式,这是传统的焊接节点和/或螺栓连接所无法实现的。


另外,结构的受压侧和受拉侧的大小不同也带来了进一步的困难。三铰拱桁架主弦杆由中跨位置处直径为355 mm的圆形空心截面钢管,尺寸减小到两端的直径为219 mm。杆件截面尺寸的变化通过端板连接。张弦杆为直径75 mm的实心圆钢杆。为了使结构的张弦侧上的复杂连接的尺寸最小化,则必须要使构件的尺寸保持尽可能小。这意味着连结三铰拱主压弦杆和张弦拉杆的撑杆必须要是锥形的,这样它们才能与一端与大直径主压弦杆连结,另一端与小直径的张弦拉杆连结,并且两端的连结接头形成令人满意的节点。而这种一端粗一端细的锥形元件是利用YRM Anthony Hunt Associates先前开发的技术制成的:即利用大型制动卷板机将梯形板弯曲以形成半锥体,再将其焊接在一起以形成圆锥形的锥形尺寸。这项当时用于在热轧钢中生产锥形元件的新颖技术是结构工程师Hunt的team为追求这项“优雅”的三铰拱钢桁架而进行的进一步创新。三铰拱主桁架中所有连接节点的最终形式是通过CAD技术并与建筑师Nicholas Grimshaw and Partners协商后开发和完善的。其标准即为不管是从结构和美学的角度来看,这些形式都具有良好的性能。


钢结构工厂预拼装


由于每个桁架是在空间上是立体的,因此设计时对构件的运输也进行了仔细考虑。当时的建议是将每个三铰拱短边一侧的拱桁架作为一个整体进行制造和运输,但是必须长边一侧的主拱桁架拆分为三个单元,然后使用HSFG螺栓接头现场组装。屋顶的几何形状要求严格控制制造公差,以确保拱桁架和屋面板之间的协调。在制造的每个阶段都使用电子测距设备对所有尺寸进行了全面检查。主要桁架在车间内组装,并确定整体尺寸,然后再派往油漆车间和现场。


在钢结构构件制作完成后,为了确保施工安装的顺利进行,对制作好的钢结构还进行了工厂的模拟预拼装。当时选择了轴线15和16之间的单元进行了预拼装。如下图所示。之所以选择轴线15和16之间的单元是因为它具有典型性,并可以代表整个结构的平均复杂度。下图为当年的工厂预拼装照片。