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

      2022-01-20 07:10:04上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司上海200072
      綠色建筑 2021年6期
      關(guān)鍵詞:鋼骨屋架屈曲

      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。

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