大型無塵鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房整體逆作法建造技術(shù)

邵 暄(上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司， 上海 200072）

近年來國家對于高新產(chǎn)業(yè)大力扶持，電子芯片產(chǎn)業(yè)作為國家戰(zhàn)略日漸成為重要的發(fā)展方向，大力建設(shè)電子廠房將成為后階段建筑業(yè)的一個(gè)主要方向。如何建設(shè)電子廠房，合理縮短工期，優(yōu)化施工方案，提高電子廠房工程質(zhì)量是建筑企業(yè)主要關(guān)心的問題。本文通過對電子芯片產(chǎn)業(yè)工藝特點(diǎn)的分析，創(chuàng)新整體逆作法施工技術(shù)，為該類型項(xiàng)目提供了新的施工思路。

1 工程概況

12 英寸先進(jìn)生產(chǎn)線項(xiàng)目位于康橋工業(yè)南區(qū)，東至規(guī)劃三路，南至古恩路，西至周北一河，北至古博路。整個(gè)項(xiàng)目用地可分為 3 個(gè)地塊。本次工程的基地面積為 424 567 m2，建筑面積為 456 685 m2，綠化面積為 203 983 m2。

本課題所研究大型無塵結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房位于場地內(nèi)北側(cè)。該廠房為三層三跨鋼結(jié)構(gòu)廠房，橫向尺寸為 147 m，縱向尺寸為 229 m，廠房屋蓋為鋼桁架，主桁架為南北走向，長 147.6 m，分為 3 跨，共計(jì) 99 大榀桁架，桁架高度為 4.0～5.6 m。鋼結(jié)構(gòu)總噸位約 1.3 萬 t。鋼結(jié)構(gòu)廠房剖面圖如圖1 所示。

2 大型無塵鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房項(xiàng)目施工需求分析

電子潔凈廠房使用功能不同于一般廠房。其潔凈度功能需求高于其他基本功能需求，且設(shè)備安裝調(diào)試周期長，考慮盡快調(diào)試投產(chǎn)，需優(yōu)先施工完畢。由于室內(nèi)功能劃分，電子潔凈廠房主要潔凈設(shè)備基本備位于桁架層內(nèi)，因此如何優(yōu)先施工該區(qū)域，封閉屋面斷水為主要技術(shù)施工指導(dǎo)思路。電子潔凈廠房設(shè)備層區(qū)域結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電子潔凈廠房設(shè)備層區(qū)域結(jié)構(gòu)圖

3 施工技術(shù)路線選擇

本項(xiàng)目依托電子芯片產(chǎn)業(yè)，由于電子產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代周期短，盡快完成廠房建設(shè)有利于業(yè)主搶占市場份額，增加產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，故鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠房作為重點(diǎn)施工路線，工期十分緊張。因此，項(xiàng)目創(chuàng)新采用了整體逆作法施工路線。采用增加勁性柱的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。先施工勁性鋼柱，再進(jìn)行鋼屋架施工，后施工土建樓層，即勁性柱→鋼屋架→混凝土柱、梁→混凝土樓板。該種施工技術(shù)路線雖對前期土建施工有一定影響，但可以優(yōu)先搶出潔凈區(qū)，為后道工序爭取更多的施工時(shí)間。施工流程見圖3。

圖3 施工流程

4 施工分析及計(jì)算

4.1 基本信息

受到現(xiàn)場多方面因素影響，屋架必須提前施工，此時(shí)屋架下方的混凝土柱施工尚未進(jìn)行。為滿足現(xiàn)場施工計(jì)劃，將部分混凝土結(jié)構(gòu)柱改為型鋼混凝土柱，先施工結(jié)構(gòu)柱鋼骨，再施工整個(gè)屋蓋，最后澆筑型鋼混凝土柱的混凝土。澆筑兩個(gè)樓面結(jié)構(gòu)，最后完成圍護(hù)體系。

其中新增山墻處鋼骨柱截面為 B500 mm×500 mm×20 mm×20mm，鋼骨梁截面為 HM550 mm×300 mm×11 mm×18 mm，其余鋼骨柱截面均為 B700 mm×700 mm×25 mm×25 mm。山墻處除 A 軸外，其余各軸結(jié)構(gòu)柱均設(shè)置鋼骨；桁架屋架下的鋼骨柱設(shè)置在軸線 B、軸 線H、軸線 R 和軸線 X 處。新增鋼結(jié)構(gòu)桿件材質(zhì)均為 Q345B。

由于圍護(hù)體系是在混凝土結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行，所以此時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)入正常使用狀態(tài)。該階段的結(jié)構(gòu)完整性與設(shè)計(jì)狀態(tài)一致，故不再重復(fù)驗(yàn)算。這里需要對屋蓋施工結(jié)束后，土建施工開始前的這個(gè)狀態(tài)進(jìn)行復(fù)算，此時(shí)圍護(hù)體系尚未施工，因此結(jié)構(gòu)的整體風(fēng)荷載總值要小于使用狀態(tài)，但仍不能忽略。故在進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)，主要考慮的荷載包括結(jié)構(gòu)恒載和風(fēng)荷載。

4.2 施工階段模型

整個(gè)屋架自中間向兩側(cè)施工。首先完成17軸處的屋架安裝工作，然后完成 16 軸、18 軸，接著 15 軸、19 軸，以此類推逐步完成整個(gè)屋架的安裝工作。隨著屋架榀數(shù)的增加，屋架之間的聯(lián)系構(gòu)件將逐漸增加整個(gè)屋架的穩(wěn)定性，因此有必要考察最初幾個(gè)階段，在屋架榀數(shù)不多的情況下，屋架是否滿足整體穩(wěn)定性要求。

這里考察五個(gè)階段，階段一是僅完成 17 軸處的屋架安裝，階段二是完成 16 軸和 17 軸處的屋架安裝，階段三是完成 16 軸、17 軸和 18 軸處的屋架安裝，階段四是完成 15軸、16 軸、17 軸和 18 軸處的屋架安裝，階段五是完成 15軸、16 軸、17 軸、18 軸和 19 軸處的屋架安裝工作。各階段的計(jì)算模型見圖4。

圖4 施工階段模型

4.3 整體穩(wěn)定分析結(jié)果

4.3.1 階段一

單榀桁架安裝完成后，應(yīng)注意到桁架與鋼骨柱之間為鉸接連接，故在桁架平面外不具備剛度。由于本身并不是一個(gè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以必須采取措施使之穩(wěn)定。建議的措施方法如下：

在新增鋼骨柱之間設(shè)置交叉支撐，以保證鋼柱擁有較大的抗側(cè)剛度；屋架上弦桿兩側(cè)拉設(shè)纜風(fēng)繩，張緊后可保證屋架自身的穩(wěn)定性。

分析結(jié)果表明，屋架一階彈性屈曲系數(shù)為 4.060，表現(xiàn)為中跨桁架的面外失穩(wěn)。考慮初始缺陷為中跨跨度的1/500，更新施工模型，并進(jìn)行非線性屈曲分析， 計(jì)算結(jié)果表明，針對 1.2D+1.4WX 的荷載組合，最終的整體穩(wěn)定臨界系數(shù)為 λcr=2.4＞2.0，滿足要求。

4.3.2 階段二

兩榀桁架安裝完成后，結(jié)構(gòu)彈性整體穩(wěn)定一階模態(tài)及一階屈曲系數(shù)列于表1 中。

表1 結(jié)構(gòu)彈性整體穩(wěn)定分析

從表1 中可以看出，兩榀桁架安裝完成后，在自重和風(fēng)荷載共同作用下，結(jié)構(gòu)一階彈性屈曲模態(tài)表現(xiàn)為中跨桁架上弦桿面外失穩(wěn)?？紤]初始缺陷為中跨跨度的 1/500，更新施工模型，并進(jìn)行非線性屈曲分析，計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 荷載位移曲線

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)非線性加載系數(shù)達(dá)到 0.658 時(shí)，此時(shí)結(jié)構(gòu)最大位移達(dá)到 671 mm，桿件最大應(yīng)力達(dá)到 343 MPa，接近材料屈服強(qiáng)度。因此，可以認(rèn)為此時(shí)結(jié)構(gòu)不再具備繼續(xù)承載的能力。

根據(jù)彈性屈曲和非線性屈曲分析計(jì)算結(jié)果可知，針對1.2D+1.4WX 的荷載組合，最終的整體穩(wěn)定臨界系數(shù)為λcr=6.0×0.658=3.948＞2.0，滿足要求。

4.3.3 階段三

三榀桁架安裝完成后，在自重和風(fēng)荷載共同作用下，結(jié)構(gòu)一階彈性屈曲模態(tài)表現(xiàn)為中跨桁架上弦桿面外失穩(wěn)。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)非線性加載系數(shù)達(dá)到 0.834 時(shí)，此時(shí)結(jié)構(gòu)最大位移達(dá)到 725 mm，桿件最大應(yīng)力達(dá)到 338 MPa，接近材料屈服強(qiáng)度。因此，可以認(rèn)為此時(shí)結(jié)構(gòu)不再具備繼續(xù)承載的能力。

根據(jù)彈性屈曲和非線性屈曲分析計(jì)算結(jié)果可知，針對 1.2D+1.4WX 的荷載組合，最終的整體穩(wěn)定臨界系數(shù)為λcr=5.4×0.834=4.504＞2.0，滿足要求。

4.3.4 階段四

四榀桁架安裝完成后，在自重和風(fēng)荷載共同作用下，結(jié)構(gòu)一階彈性屈曲模態(tài)表現(xiàn)為中跨桁架上弦桿面外失穩(wěn)。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)非線性加載系數(shù)達(dá)到 0.824 時(shí)，此時(shí)結(jié)構(gòu)最大位移達(dá)到 578 mm，桿件最大應(yīng)力達(dá)到 341 MPa，接近材料屈服強(qiáng)度。因此，可以認(rèn)為此時(shí)結(jié)構(gòu)不再具備繼續(xù)承載的能力。

根據(jù)彈性屈曲和非線性屈曲分析計(jì)算結(jié)果可知，針對1.2D+1.4WX 的荷載組合，最終的整體穩(wěn)定臨界系數(shù)為λcr=5.248×0.824=4.324＞2.0，滿足要求。

4.3.5 階段五

五榀桁架安裝完成后， 在自重和風(fēng)荷載共同作用下，結(jié)構(gòu)一階彈性屈曲模態(tài)表現(xiàn)為中跨桁架上弦桿面外失穩(wěn)。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)非線性加載系數(shù)達(dá)到 0.825 時(shí)，此時(shí)結(jié)構(gòu)最大位移達(dá)到 516 mm，桿件最大應(yīng)力達(dá)到 347 MPa，接近材料屈服強(qiáng)度。因此，可以認(rèn)為此時(shí)結(jié)構(gòu)不再具備繼續(xù)承載的能力。

根據(jù)彈性屈曲和非線性屈曲分析計(jì)算結(jié)果可知，針對 1.2D+1.4WX 的荷載組合，最終的整體穩(wěn)定臨界系數(shù)為λcr=5.127×0.825=4.230＞2.0，滿足要求。

4.4 計(jì)算結(jié)果

實(shí)施安裝過程中，應(yīng)對單榀屋架的安裝做好臨時(shí)固定措施，建議在鋼柱之間設(shè)置交叉支撐，并在屋架上弦桿兩側(cè)拉設(shè)纜風(fēng)繩，單榀屋架安裝就位后可以滿足整體穩(wěn)定要求。隨著相鄰屋架的陸續(xù)安裝，屋架之間的聯(lián)系構(gòu)件有助于整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，當(dāng)五榀屋架安裝完成時(shí)，考慮幾何非線性，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到 4.23＞2.0，滿足要求。因此，可以使用該方案進(jìn)行施工。

5 結(jié) 語

通過對大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架分塊規(guī)劃制定了科學(xué)的施工總體流程；充分利用原規(guī)劃道路，精心布局了現(xiàn)場地面、地上道路路網(wǎng)。這為后續(xù)項(xiàng)目的順利開展奠定了可靠的基礎(chǔ)。

采用該整體逆作法施工技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了大型無塵鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的鋼結(jié)構(gòu)綜合施工。雖然該項(xiàng)目有許多特殊性，但通過合理分析及選型，克服了現(xiàn)場場地狹小、施工周期緊等多種難題。在 12 英寸先進(jìn)生產(chǎn)線及后續(xù)華虹無錫鋼結(jié)構(gòu)工程的成功應(yīng)用，充分說明了以上成果的優(yōu)勢。這對今后類似大型無塵鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房從規(guī)劃、管理到現(xiàn)場施工都具有寶貴的借鑒意義。