鋁合金轂節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架在全封閉煤場(chǎng)中的應(yīng)用

賈光華，賈思然

(1.河北華電石家莊熱電有限公司，河北 石家莊 050041；2.河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院，河南 鄭州 451400)

0 概 述

近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，許多燃煤電廠原有的露天煤場(chǎng)防風(fēng)抑塵網(wǎng)已不能滿足環(huán)保要求，需對(duì)露天煤場(chǎng)進(jìn)行全封閉改造。目前，傳統(tǒng)的改造方案是利用鋼筋混凝土柱及輕型屋蓋排架結(jié)構(gòu)，或采用網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，另外，還有采用圓形煤場(chǎng)、球形煤場(chǎng)等改造方案的。傳統(tǒng)方案中的屋蓋，一般采用大跨度的拱形桁架結(jié)構(gòu)，以橫向主桁架和縱向次桁架組成的骨架為主結(jié)構(gòu)，在其上鋪設(shè)冷彎薄壁型鋼作為檁條，再在檁條上鋪設(shè)單層彩鋼板。檁條僅作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，不參與主結(jié)構(gòu)的整體受力。受制于檁條的經(jīng)濟(jì)跨度，主桁架的間距，通常為8～12 m，對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)間距，為8～12 m，因此，難以充分發(fā)揮主桁架受力的潛力，基礎(chǔ)成本的占比較大，施工工期長(zhǎng)。在為某電廠露天煤場(chǎng)的全封閉改造時(shí)，采用了Free Dome輕型網(wǎng)架與張弦桁架組合結(jié)構(gòu)的屋蓋，減少了基礎(chǔ)尺寸及數(shù)量，同時(shí)，也降低了基礎(chǔ)施工的難度和造價(jià)，縮短了施工工期，可為全封閉煤場(chǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，提供有益的借鑒。

1 原煤場(chǎng)結(jié)構(gòu)

某電廠建有5座直徑22 m的萬(wàn)噸級(jí)儲(chǔ)煤筒倉(cāng)，另有1個(gè)露天的條形煤場(chǎng)，用于卸存汽車來(lái)煤。煤場(chǎng)沒(méi)有輸煤機(jī)械，只有裝載機(jī)、翻斗車等工程機(jī)械。煤場(chǎng)位于電廠運(yùn)煤鐵路線的北側(cè)，煤場(chǎng)設(shè)有防風(fēng)抑塵網(wǎng)，外形尺寸為200 m×72 m。對(duì)該煤場(chǎng)進(jìn)行封閉改造，需拆除原煤場(chǎng)防風(fēng)抑塵網(wǎng)、噴淋降塵裝置等設(shè)施，基本上沿原防風(fēng)抑塵網(wǎng)的基線，建設(shè)全封閉的煤場(chǎng)。

在封閉煤場(chǎng)的改造方案中，設(shè)置了桁架柱腳，煤場(chǎng)總長(zhǎng)為160 m，柱腳的最大跨度，為70 m。并且，設(shè)置了9榀主桁架，桁架間距為20 m。桁架結(jié)構(gòu)支座坐落于18 m高的混凝土柱頂，拱形結(jié)構(gòu)的高，約為5.7 m，拱頂標(biāo)高約為23.73 m。屋蓋采用Free Dome輕型網(wǎng)架與張弦桁架組合結(jié)構(gòu)。煤場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和布置，如圖1、圖2所示。

圖1 改造方案中的整體結(jié)構(gòu)

圖2 整體結(jié)構(gòu)的剖面圖

2 輕型網(wǎng)架與張弦桁架的組合結(jié)構(gòu)

2.1 Free Dome網(wǎng)架

2.1.1 網(wǎng)架技術(shù)及規(guī)范

采用的Free Dome網(wǎng)架設(shè)計(jì)，是引進(jìn)美國(guó)某公司的專有技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力、冶金、礦山及民用建筑等需要構(gòu)筑大空間的項(xiàng)目中，擁有良好的工程業(yè)績(jī)。通過(guò)引進(jìn)Free Dome網(wǎng)架整套技術(shù)，我國(guó)已完成了符合中國(guó)規(guī)范的技術(shù)轉(zhuǎn)化。

在Free Dome網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)體系中，采用三角形網(wǎng)格為基本構(gòu)型單元，可以方便地構(gòu)建任意形狀的空間曲面和自由形態(tài)。在完成設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案中，采用的鋼管直徑較為統(tǒng)一，整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、輕盈，與傳統(tǒng)網(wǎng)架相比，其整體外觀效果更好，桿件的受力更為合理。

Free Dome網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)是圓柱形帶凹槽的鋁合金轂節(jié)點(diǎn)，所有桿件均為兩端壓扁帶凸榫的鍍鋅鋼管。安裝完成后，桿件端部凸榫與節(jié)點(diǎn)凹槽緊密結(jié)合，在圓柱形節(jié)點(diǎn)的兩端，安裝了蓋板，通過(guò)螺栓壓緊后連為一體。節(jié)點(diǎn)的連接，類似于20世紀(jì)80年代我國(guó)自行開(kāi)發(fā)研制的裝配式節(jié)點(diǎn)體系，為嵌入式轂節(jié)點(diǎn)，也與中國(guó)古建筑的榫卯連接有相似之處。在現(xiàn)場(chǎng)組裝的網(wǎng)架，如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)組裝的網(wǎng)架

2.1.2 相比于傳統(tǒng)網(wǎng)架的優(yōu)點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)安全性更高

Free Dome網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)的連接，采用壓扁的鍍鋅鋼管直接插入鋁合金節(jié)點(diǎn)的連接方式。壓扁鋼管具有與鋼管構(gòu)件相同的抗剪能力，同時(shí)還具有一定的抗彎能力，節(jié)點(diǎn)的承載力大大增強(qiáng)。鋼管與節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)條形的齒槽連接，抗剪面大，連接可靠。節(jié)點(diǎn)區(qū)域材料的延性與高碳鋼相比具有較大的優(yōu)勢(shì)，提高了承受疲勞荷載的能力。傳統(tǒng)螺栓球網(wǎng)架構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)的連接屬于鉸接，只能傳遞軸向力，且螺栓在高溫淬火過(guò)程中極易形成裂紋，存在安全隱患。Free Dome網(wǎng)架與傳統(tǒng)網(wǎng)架相比，在安全性能上具有較大的提升。

(2)施工質(zhì)量高

Free Dome網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)采用插入式連接，在節(jié)點(diǎn)兩端安裝蓋板。如果鋼管插入節(jié)點(diǎn)不到位，則蓋板根本無(wú)法安裝，整個(gè)結(jié)構(gòu)體系也就無(wú)法安裝完成。這種節(jié)點(diǎn)連接方式，可從裝配工藝上保證節(jié)點(diǎn)的連接質(zhì)量，避免了螺栓球網(wǎng)架裝配上“假擰緊”問(wèn)題?！凹贁Q緊”是指在裝配過(guò)程中，沒(méi)有按照規(guī)范要求將高強(qiáng)螺栓擰緊。由此導(dǎo)致的螺栓球網(wǎng)架質(zhì)量問(wèn)題比較普遍，且難以在施工過(guò)程中杜絕，存在較大的安全隱患。

(3)安裝更簡(jiǎn)捷

Free Dome網(wǎng)架的加工工藝簡(jiǎn)單，不用制作胎架，現(xiàn)場(chǎng)組裝方便，采用鍍鋅鋼管及鋁合金轂節(jié)點(diǎn)等構(gòu)件，不用刷漆，可快速地在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。傳統(tǒng)螺栓球網(wǎng)架的組成部件較多，除了正常的桿件加工外，還需加工桿件端頭的錐頭、錐頭與桿件的焊接、螺栓球的鍛造加工等。螺栓球節(jié)點(diǎn)的形狀，如圖4所示。對(duì)于焊接球網(wǎng)架的組裝，需要配置專用的場(chǎng)地，且需制作胎架，所有桿件均需焊接于空心球上，焊接的工作量大，需經(jīng)探傷、除銹、刷漆等多道工藝才能完成。已完成焊接的焊接球節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。

圖4 螺栓球節(jié)點(diǎn)

圖5 焊接球節(jié)點(diǎn)

(4)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)潔且美觀。

Free Dome網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，采用新穎獨(dú)特的鋁合金轂節(jié)點(diǎn)，連接較為方便，網(wǎng)格的劃分靈活多變，桿件的長(zhǎng)度約為2 m，結(jié)構(gòu)件的寬度，為一般在0.8～1.5 m。傳統(tǒng)螺栓球網(wǎng)架和焊接球網(wǎng)架的桿件較長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)也較大，相比較而言，F(xiàn)ree Dome網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)輕盈且美觀。

2.2 張弦桁架結(jié)構(gòu)

在張弦桁架結(jié)構(gòu)中，是在拱形桁架下設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉索，通過(guò)撐桿，將上部受壓的拱形結(jié)構(gòu)與下部拉索組合，從而形成了自平衡體系，可解決大跨度結(jié)構(gòu)拱腳推力過(guò)大的問(wèn)題，既提高了屋面鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又減小了下部混凝土支承結(jié)構(gòu)的承受力，因而可減小基礎(chǔ)尺寸，降低基礎(chǔ)施工難度和造價(jià)，取得較好的綜合效益。

近年來(lái)，張弦桁架結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，如華電土右電廠封閉煤場(chǎng)(跨度192 m)、華電蒙能包頭分公司封閉煤場(chǎng)(跨度197 m)等項(xiàng)目，均有較好的應(yīng)用實(shí)例。張弦桁架的吊裝，如圖6所示。

圖6 張弦桁架的吊裝

2.3 結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)勢(shì)

(1)Free Dome網(wǎng)架可參與整體結(jié)構(gòu)的受力，發(fā)揮其蒙皮效應(yīng)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，并降低主桁架的內(nèi)力，節(jié)省整體建造的用鋼量。

(2)在張弦桁架之間布置Free Dome網(wǎng)架的方案，相比于檁條結(jié)構(gòu)的布置方案，在外觀上更漂亮，結(jié)構(gòu)形式更加經(jīng)濟(jì)，節(jié)省用鋼量，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的焊接工作量較少，加工和施工更加簡(jiǎn)便，可在地面拼裝后，整片吊裝，相比檁條的單根安裝施工，效率更高。

(3)主結(jié)構(gòu)的數(shù)量較少，可在短時(shí)間內(nèi)集中安裝，提高了安裝效率。主桁架安裝后，可同步安裝各分區(qū)的Free Dome網(wǎng)架，縮短了施工周期。

(4)主結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的表面光滑，不易積存腐蝕性介質(zhì)。主桁架桿件的截面厚度相對(duì)拱形桁架更大，更耐銹蝕。

(5)降低了土建的施工成本，因結(jié)構(gòu)中主桁架的間距大，支座少，減少了基坑的工作量，施工工期更短。

3 應(yīng)用效果

該封閉煤場(chǎng)的全長(zhǎng)為160 m，按傳統(tǒng)拱桁架間布設(shè)檁條的方案，主桁架間距一般為8～12 m，至少需14跨，主桁架至少需15榀，基礎(chǔ)支座至少需2×15=30個(gè)?，F(xiàn)采用Free Dome網(wǎng)架與張弦桁架組合的結(jié)構(gòu)方案，主桁架的間距設(shè)計(jì)為20 m，共需8跨，主桁架共需9榀，基礎(chǔ)支座共需2×9=18個(gè)，基礎(chǔ)支座和主桁架的數(shù)量，可減少40%，降低了土建施工、鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝的成本。

由于布置了張弦桁架拉索和撐桿，降低了封閉煤場(chǎng)的凈空，使堆煤高度受限，減少了封閉煤場(chǎng)的有效容積。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用大間距Free Dome輕型網(wǎng)架與張弦桁架的組合結(jié)構(gòu)，降低了拱腳水平推力，縮短了施工周期。因Free Dome網(wǎng)架可參與整體結(jié)構(gòu)的受力，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性，并降低主桁架的內(nèi)力。但設(shè)置了張弦桁架后，使堆煤高度受限，減少了封閉煤場(chǎng)的有效容積，且存在作業(yè)時(shí)碰撞張弦桁架拉索等不安全因素，建議在張弦桁架拉索旁安裝警示標(biāo)牌，并按要求，嚴(yán)格控制堆煤高度，避免發(fā)生安全事故。