某煤場(chǎng)大跨度鋼桁架施工技術(shù)研究

蔣光軍

(四川攀鋼鋼構(gòu)有限公司，四川攀枝花 617000)

大跨度鋼結(jié)構(gòu)因其跨度大，構(gòu)造復(fù)雜，其施工工藝較傳統(tǒng)工藝存在施工控制要點(diǎn)和施工順序上有一定的差異。目前，常用的吊裝方法[1]有：整體吊裝法、滑移法、高空散裝法、整體提升法等。

整體吊裝法是在組裝平臺(tái)上將各構(gòu)件組裝成結(jié)構(gòu)整體，選用合適的起重設(shè)備進(jìn)行吊裝的施工方法[2]。整體吊裝可分為場(chǎng)地內(nèi)吊裝和場(chǎng)地外吊裝，場(chǎng)地內(nèi)拼裝的結(jié)構(gòu)可直接使用起吊設(shè)備吊裝，對(duì)起吊設(shè)備來(lái)說(shuō)，負(fù)重運(yùn)行距離較短，在吊裝過(guò)程中更偏于安全；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)可用的施工場(chǎng)地有限時(shí)，在場(chǎng)地外進(jìn)行結(jié)構(gòu)拼裝，此時(shí)的吊裝作業(yè)需起重設(shè)備負(fù)重運(yùn)行較長(zhǎng)的距離，加大了吊裝的難度，特別對(duì)于多臺(tái)起重設(shè)備共同執(zhí)行吊裝作業(yè)。整體吊裝法可減少高空作業(yè)的工作量，更有利于組裝作業(yè)的實(shí)施。其不足之處在于對(duì)起重設(shè)備的要求較高，且不利于平行施工，造成工程工期較長(zhǎng)。

1 工程簡(jiǎn)介

某煤場(chǎng)南北長(zhǎng)約350 m，東西寬約140 m，為露天堆放形式，堆取方式為取煤機(jī)及汽車(chē)運(yùn)輸混合。由于車(chē)輛運(yùn)輸及堆取機(jī)械作業(yè)，煤場(chǎng)區(qū)域及周邊粉塵嚴(yán)重，為改善現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，擬對(duì)該煤場(chǎng)進(jìn)行全封閉處理。

新建全封閉廠房為不規(guī)則長(zhǎng)方形，對(duì)南北側(cè)的轉(zhuǎn)運(yùn)站、南側(cè)變電所、東側(cè)膠帶機(jī)通廊不封閉，其余均采取封閉處理。封閉后廠房長(zhǎng)292 m，寬142 m，廠房全封閉面積40 126 m2。結(jié)構(gòu)形式選用單跨鋼排架結(jié)構(gòu)，柱頂標(biāo)高為25 m，屋架采用組合式巨型鋼管桁架，除廠房柱及屋架采用Q345B之外，其余均采用Q235B。新建煤棚加上兩邊山墻柱及屋架共計(jì)10榀，其中5榀跨度為136 m，3榀跨度達(dá)141 m，邊支柱的柱頂標(biāo)高為25 m，屋脊頂標(biāo)高為37.5 m。巨型管架支承于兩側(cè)鋼柱上，每側(cè)設(shè)置支承點(diǎn)10個(gè)。

因煤場(chǎng)封閉改造工程在施工過(guò)程中不能影響煤場(chǎng)的正常生產(chǎn)作業(yè)，且所能使用的施工場(chǎng)地非常有限，針對(duì)該項(xiàng)目的施工，擬采用整體吊裝的方式以完成煤場(chǎng)的封閉作業(yè)。

2 施工技術(shù)分析

2.1 施工布置

考慮施工場(chǎng)地有限且不能影響煤場(chǎng)的生產(chǎn)，將屋架組裝區(qū)設(shè)置在1～2線之間，且為了保證四榀屋架同時(shí)組裝的場(chǎng)地需求，屋架的組裝平臺(tái)須超過(guò)高度為5.5 m的擋煤墻，故在6 m高的井字架上設(shè)置組裝平臺(tái)。同時(shí)，在靠近皮帶基礎(chǔ)方向修筑一條10 m寬的施工道路，以便于履帶吊的吊裝作業(yè)。通過(guò)履帶吊將組裝完成的屋架逐一從組裝區(qū)吊至安裝位置，完成施工作業(yè)。施工平面布置如圖1所示。

圖1 施工平面布置

2.2 桁架拼裝

因?yàn)殍旒芙Y(jié)構(gòu)中桁架的數(shù)量大且種類(lèi)繁多，拼裝過(guò)程中易出現(xiàn)構(gòu)件混用而導(dǎo)致后續(xù)構(gòu)件無(wú)法拼裝的現(xiàn)象，故在正式拼裝前需對(duì)桁架進(jìn)行預(yù)拼裝，以保證各構(gòu)件的正確拼裝。

單跨桁架的拼裝作業(yè)按照?qǐng)D2所示的流程進(jìn)行，拼裝作業(yè)中需嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，選用合適的焊接工藝、焊接材料及焊接順序。

圖2 桁架拼裝流程示意

屋架組裝順序：9，8，7，6 線屋架組裝—9，2，6 線立柱安裝—9線屋架安裝—8線立柱安裝—8線屋架安裝—7線立柱安裝—7線屋架安裝—6線屋架安裝—5，4，3，2線屋架組裝—5線立柱安裝—5線屋架安裝—4線立柱安裝—4線屋架安裝—3線立柱安裝—3線屋架安裝—2線屋架安裝。其中，為滿足安裝需求，2號(hào)柱和6號(hào)柱先進(jìn)行安裝，其余立柱則根據(jù)屋架安裝順序進(jìn)行安裝。

2.3 吊裝分析

2.3.1 吊機(jī)選擇

根據(jù)工程實(shí)際狀況，本工程最大吊裝構(gòu)件為第7～9榀屋架，其尺寸為6 m×13 m×141 m，重達(dá)150 t，所需吊裝高度為25 m。為避免起重機(jī)在行駛途中和旋轉(zhuǎn)起重臂時(shí)碰撞主體結(jié)構(gòu)，經(jīng)理論計(jì)算，吊機(jī)的吊臂長(zhǎng)度不得低于60 m，決定采用兩臺(tái)徐工QUY350型履帶式起重機(jī)進(jìn)行吊裝。履帶吊吊裝示意圖如圖3所示。

圖3 履帶吊吊裝示意

2.3.2 吊點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)煤場(chǎng)場(chǎng)地要求，為保證煤場(chǎng)堆煤儲(chǔ)量，將兩個(gè)附煤場(chǎng)靠近皮帶機(jī)10 m寬距離作為吊車(chē)運(yùn)行道路。根據(jù)履帶吊前行道路的位置，設(shè)置的兩個(gè)吊點(diǎn)位置分別為靠軸線A處32.5 m和D軸線 25.5 m。采用四點(diǎn)起吊，固定鋼絲繩長(zhǎng)度。

2.3.3 鋼絲繩選用

本工程起吊鋼屋架采用等級(jí)為1 770 MPa的6×37+1纖維芯鋼絲繩，共設(shè)掛繩節(jié)點(diǎn)8個(gè)，屋架兩邊各4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用1根鋼絲繩對(duì)折綁定鋼屋架上弦，屋架與吊鉤垂直距離為6 m。鋼絲繩栓掛如圖4所示。

圖4 鋼絲繩栓掛示意(單位:mm)

2.4 數(shù)值模擬分析

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，選用有限元分析軟件MIDAS/GEM對(duì)桁架吊裝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值建模分析，以分析桁架在施工過(guò)程中的應(yīng)力分布、變形、結(jié)構(gòu)位移及吊索內(nèi)力等。

2.4.1 應(yīng)力分析

通過(guò)MIDAS/GEM計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，如圖5所示。由應(yīng)力分布圖可知，屋架構(gòu)件的最大組合應(yīng)力為82.4 MPa，分布在上弦桿、撐桿和斜腹桿處。結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力仍然遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度235 MPa，在吊裝過(guò)程中，各構(gòu)件處于安全狀態(tài)。

圖5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

2.4.2 變形分析

在結(jié)構(gòu)的吊裝過(guò)程中，主要作用的荷載為結(jié)構(gòu)的自重，考慮自重作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，得到如圖6所示的結(jié)構(gòu)變形圖。通過(guò)數(shù)值模擬分析可得到，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大撓度為0.084 m，且發(fā)生在結(jié)構(gòu)的跨中部位。

圖6 結(jié)構(gòu)變形

2.4.3 吊索內(nèi)力分析

通過(guò)圖7所示的吊索內(nèi)力圖可知，吊索的最大內(nèi)力為376.35 kN，因?qū)嶋H吊點(diǎn)是將1根鋼絲繩對(duì)折使用，故單根吊索的最大內(nèi)力應(yīng)減半，即188.18 kN，未超過(guò)選用鋼絲繩的極限索力。

圖7 吊索的內(nèi)力

2.4.4 結(jié)構(gòu)位移分析

圖8給出了由MIDAS/GEM計(jì)算的結(jié)構(gòu)位移云圖。由此可知，屋架構(gòu)件的最大位移為4.170 m，最小位移為4.123 m，兩者相差1.13 %。且在吊裝過(guò)程中，吊點(diǎn)位置附近并沒(méi)有發(fā)生不合理的變形，結(jié)構(gòu)可近似看作整體并作剛體位移。

圖8 結(jié)構(gòu)位移云

3 結(jié)論

根據(jù)工程實(shí)施和有限元數(shù)值模擬分析可得出，在吊裝的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的各部分變形較均勻，特別在吊點(diǎn)位置附近并未出現(xiàn)較大的變形，結(jié)構(gòu)在平穩(wěn)的吊裝過(guò)程中可近似看作結(jié)構(gòu)整體作剛體位移。通過(guò)對(duì)比吊索內(nèi)力值和鋼絲繩破斷力，該工程選用的吊索具有一定的安全儲(chǔ)備，滿足施工的要求。建議在使用整體吊裝法進(jìn)行大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)，嚴(yán)格控制吊裝的速度，避免構(gòu)件因較大的動(dòng)荷載產(chǎn)生過(guò)的大變形。