大跨度封閉料場空間桁架拱骨架膜結構的設計與施工

王潔斌，黃奎生

（沈陽科維潤工程技術有限公司，遼寧 沈陽 110166）

我國各類企業(yè)料場的物料在早期大多采用露天存放的形式，在三級以上大風天氣時出現(xiàn)粉塵滿天的現(xiàn)象，不但造成大氣環(huán)境污染，而且揚塵會導致物料的大量流失，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。針對露天料場的環(huán)境污染問題，對料場進行棚化封閉勢在必行。

料場封閉的特點是跨度大、施工難度高、工期要求緊，另外料場的封閉大多采用網(wǎng)殼結構，圍護材料選用傳統(tǒng)的金屬屋面板，此種建筑結構存在施工周期長、高空作業(yè)多、采光性能差等缺點，尤其是金屬屋面板的抗腐蝕性能差，導致建筑結構在其全生命周期中的維護次數(shù)多、維護費用高。針對現(xiàn)有技術存在的問題，本文以南方某鋼廠綜合料場封閉項目中的混勻料場為例，提出一種大跨度空間桁架拱骨架膜結構，分析并闡述這種結構的設計、施工的性能和特點，以及這種新型結構在料場封閉工程中的優(yōu)勢和應用前景。

1 項目概況

南方某鋼廠綜合料場包含2個一次料場、1個高爐料場、2個混勻料場、1個熔劑料場，料場長度均為400m，混凝土短柱高度均為2.5m,總建筑面積約21萬m2，其中一次料場跨度均80m，內(nèi)部均設有4臺半門式刮板取料機和2臺天車堆料機；高爐料場跨度90m，內(nèi)部設有3臺斗輪式堆取料機；混勻料場跨度均為108m，內(nèi)部均設有2臺橋式斗輪混勻取料機和1臺橋式堆料機；溶劑料場跨度64m，內(nèi)部設有1臺門市刮板取料機和1臺橋式堆料機。綜合料場主要用于滿足年產(chǎn)1000萬噸鐵水的球團、塊礦、焦炭、粉礦、生熔劑、混勻礦等原燃料供料。綜合料場工藝布置如圖1所示。

圖1 綜合料場工藝布置圖

2 結構設計

2.1 結構選型

根據(jù)料場的工藝特點和參數(shù)，以及國內(nèi)外料場封閉結構形式的對比和論證，在滿足工藝需求的前提下，選用骨架膜結構作為料場封閉的結構形式，其中骨架為結構的受力體系，而膜材只作為圍護材料，本項目骨架采用的是東北大學設計研究院（有限公司）開發(fā)的模塊化空間桁架拱結構體系，膜材采用進口PE膜材。

所謂空間桁架拱結構是由主桁架拱、次桁架、支撐體系組成的空間結構體系。其中混勻料場主桁架的標準柱距為6m，主桁架拱的的內(nèi)弦半徑為64.5m，桁架高度為2.7m，次桁架的間距為6.6m?？紤]到溫度對結構的影響，將料場分為3個溫度區(qū)段，在每個溫度區(qū)段設有12道水平支撐，其中1個溫度區(qū)段的結構力學模型如圖2所示。

圖2 結構力學模型

2.2 荷載分析

結構主要承受的荷載有恒荷載、活荷載、雪荷載、風荷載和地震作用，本次設計考慮的荷載參數(shù)有：屋面恒荷載0.1kN/m2；屋面活荷載0.3kN/m2；基本雪壓0.4kN/m2；基本風壓0.35kN/m2；設防烈度為6度（0.05g），設計地震分組為第一組。

2.3 結構分析

結構計算分析程序采用3D3S空間鋼結構系統(tǒng)，計算假定：計算模型中主桁架拱與混凝土短柱基礎采用鉸接支座連接，主桁架拱的弦桿和腹桿采用鋼結連接，主桁架和次桁架之間采用鉸接連接，水平支撐和主桁架拱、次桁架之間均采用鉸接連接。屋面荷載均以線荷載形式施加于主桁架拱的上弦。

經(jīng)分析，結構軸力最大值為890kN，最小值為-693kN；最大位移值為67.9mm，撓度為1/1590；最大強度應力比為0.769，最大平面外穩(wěn)定應力比為0.828，最大平面內(nèi)穩(wěn)定應力比為0.574，上述結果表明，結構的承載力滿足設計要求，具有很好的強度和剛度。桿件的應力分布區(qū)情況如表1所示，最大位移如圖3所示。

表1 桿件應力分布情況

圖3 最大位移圖

2.4 結構模塊化

為了便于結構體系的制作和安裝，主桁架拱和次桁架均采用模塊化設計，其中混勻料場1榀主桁架拱由5個中部桁架模塊和2個端部桁架模塊組成，中部桁架模塊之間通過法蘭盤和高強螺栓進行連接，端部桁架模塊一端與中部桁架模塊通過法蘭盤和高強螺栓進行連接，端部桁架模塊另一端通過銷軸與鋼筋混凝土短柱基礎進行連接。2榀主桁架拱之間由19個次桁架模塊跟主桁架拱之間用高強螺栓連接。這種模塊化的設計即滿足了結構計算假定的同時，又可實現(xiàn)各個模塊在工廠預制加工，為施工提供了便利。

3 施工方法

空間桁架拱結構采用模塊化設計，高強螺栓連接的方式，非常適合采用裝配式的施工方法。其施工步驟如下：

第一步：單元體的拼裝，將加工廠預制的各種標準模塊運送到現(xiàn)場之后,將2榀主桁架拱的模塊、次桁架以及支撐系統(tǒng)在地面組成7個單元體，單元體的劃分如圖4所示。

圖4 單元體的劃分

第二步：將單元體1及銷軸鉸支座安裝在基礎上，另一端用吊車緩慢放置地面上的臨時平臺上。

第三步：為盡量減少高處吊籃作業(yè)，將單元體2與單元體1在臨時平臺上組對，拼裝成組合體1。

第四步：拼接組合體3，方法同組合體1。

第五步：利用履帶吊對單元體3、單元體4、單元體5在地面進行拼裝，拼裝成組合體2。

第六步：利用2臺履帶吊對拼裝完成的組合體1、組合體3在非鉸支座端掛鉤，使非鉸支座端提升張開，吊至安裝位置；再用1臺履帶吊將單元體2吊運高于安裝高度位置約1m處，將組合體3緩慢垂直下降至安裝高度，再將兩側組合體1、組合體3同時進行合攏。

第七步：利用4臺汽車吊機將作業(yè)人員送至待拼裝節(jié)點處進行組合體1、組合體2、組合體3拼接安裝?，F(xiàn)場施工照片如圖5～8所示。

以混勻料場為例，兩個混勻料場總建筑面積約87000m2,上部鋼結構及膜系統(tǒng)的安裝施工周期僅為65天?？梢?，這種“樂高”式的裝配式吊裝法可使施工周期大大縮短，施工速度在建筑業(yè)中是罕見的。

圖5 施工照片

圖6 施工照片

圖7 施工照片

圖8 施工照片

4 結束語

（1）大跨度料棚采用空間桁架拱骨架膜結構形式，不但能滿足工藝使用要求，而且建筑外形美觀大方，工程造價低，實現(xiàn)經(jīng)濟性和美觀性的統(tǒng)一。

（2）從結構分析結果可知，空間桁架拱骨架膜結構的力學性能良好，有很好的安全度及剛度，適用于大跨度結構。

（3）采用模塊化設計與制作，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，縮短生產(chǎn)制作周期，提高生產(chǎn)效率。

（5）裝配式吊裝法，這種“樂高”式的施工方式，大大縮短了施工周期,減少高空作業(yè)，且無現(xiàn)場施焊作業(yè)，有效降低建筑結構的投資成本，可獲得更好的經(jīng)濟效益和社會效益。