栓焊結(jié)合鋼網(wǎng)架熟料庫(kù)屋蓋設(shè)計(jì)與施工安裝

朱玉林

1 熟料庫(kù)鋼網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)基本情況

某水泥廠熟料庫(kù)鋼網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目位于云南省大理市，主要環(huán)境荷載參數(shù)[1]：抗震設(shè)防烈度為8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，分組為第三組；基本風(fēng)壓為0.65kN/m2，沒(méi)有雪荷載。熟料庫(kù)鋼網(wǎng)架屋蓋分為上部庫(kù)頂房網(wǎng)架和下部棱臺(tái)網(wǎng)架（堆料工藝線需求造型）兩部分。熟料庫(kù)上部庫(kù)頂標(biāo)高為25.000m，預(yù)埋件鋼板尺寸為30mm×700mm×700mm，材質(zhì)為Q355B。庫(kù)頂房網(wǎng)架直徑D2=15.000m，結(jié)構(gòu)檐口標(biāo)高為59.500m，屋面及墻面封閉維護(hù)板材均采用厚0.6mm 的840 型彩鋼板。下部棱臺(tái)網(wǎng)架（殼）直徑D1=60.650m，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)凈高度為19.880m，設(shè)置36副單向滑動(dòng)支座。支座連接處采用焊接球，有效控制了主體結(jié)構(gòu)使用的最大連接螺栓直徑，全網(wǎng)架所用最大螺栓型號(hào)為M56（9.8S）。棱臺(tái)網(wǎng)架鋼平臺(tái)為H 型鋼梁桁架及網(wǎng)架組合結(jié)構(gòu)，鋼梁頂標(biāo)高為46.000m，H型鋼梁上鋪厚5mm 的花紋鋼板（鋼板底設(shè)置角鋼加勁肋條L63×40×5@600），屋面鋪設(shè)厚4mm的薄鋼板防水。熟料庫(kù)棱臺(tái)及庫(kù)頂房網(wǎng)架綜合用鋼量約為65kg/m2（不含鋼平臺(tái)H型鋼梁體系）。

2 熟料庫(kù)鋼網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 熟料庫(kù)網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)的必要性

熟料庫(kù)棱臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)體系經(jīng)歷了從有中心筒到無(wú)中心筒，從桁架體系到網(wǎng)架體系的發(fā)展過(guò)程[2-3]，網(wǎng)架（殼）結(jié)構(gòu)具有超靜定的特性，便于施工組裝，使得網(wǎng)架（殼）體系在熟料庫(kù)的建設(shè)中得到大量應(yīng)用[4]。目前，熟料庫(kù)屋蓋庫(kù)頂房部分不僅有網(wǎng)架體系，也有輕鋼體系，由于庫(kù)頂房屬于次要的維護(hù)結(jié)構(gòu)，其用鋼量少，設(shè)計(jì)成熟，方法簡(jiǎn)單，可優(yōu)化空間不大。

常規(guī)熟料庫(kù)棱臺(tái)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全部采用螺栓球節(jié)點(diǎn)，由于熟料庫(kù)所處的特殊工作環(huán)境（常年高溫，設(shè)備振動(dòng)荷載）[5]，其支座附近需要用大直徑螺栓（M60~M85均有出現(xiàn)）抵抗環(huán)向水平內(nèi)力。大螺栓施工時(shí)擰緊困難，假擰緊現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，存在非常大的安全隱患，從安全角度考慮，減小螺栓直徑、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分必要。

2.2 熟料庫(kù)鋼網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)的思路

大直徑熟料庫(kù)庫(kù)頂網(wǎng)架（直徑D≥60m）必須采用成品滑動(dòng)支座或彈簧支座，以降低徑向支反力，從而降低對(duì)混凝土筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)的影響，以控制或降低工程總造價(jià)。依以往經(jīng)驗(yàn)初步分析，該項(xiàng)目單向滑動(dòng)支座彈性剛度取6.0kN/mm，徑向支反力要求＜260kN，彈性滑動(dòng)鑄鋼件支座允許的水平位移限值為±45mm，結(jié)構(gòu)撓度控制在千分之一左右，以期正常使用極限狀態(tài)下的鋼平臺(tái)撓度小，為設(shè)備運(yùn)行提供良好的工作條件[6]。

庫(kù)頂網(wǎng)架支座標(biāo)高處，環(huán)向桿件通過(guò)焊接球連接（其直徑盡量控制為D≤500mm，球殼內(nèi)設(shè)一道與球壁厚度相同的加勁肋），桿球（桿件及焊接球）連接處的焊縫質(zhì)量控制等級(jí)為一級(jí)，必須進(jìn)行100%超聲波探傷[7]；大螺栓施工困難，可靠性低，全網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大螺栓直徑＜M60。焊接球?yàn)榭招模蓛蓚€(gè)半球?qū)咏M焊而成，其質(zhì)量應(yīng)滿足JGJ 7-2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中5.2 的規(guī)定。熟料庫(kù)鋼網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剖面圖如圖1所示。

圖1 熟料庫(kù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剖面圖

2.3 栓焊（螺栓球與焊接球）結(jié)合的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）采用浙江大學(xué)MST軟件進(jìn)行網(wǎng)架設(shè)計(jì)計(jì)算并繪制施工詳圖；采用同濟(jì)大學(xué)3D3S 軟件建立全鋼結(jié)構(gòu)整體模型作復(fù)核分析，并驗(yàn)算焊接球節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。棱臺(tái)網(wǎng)架基本控制參數(shù)為：拉壓桿長(zhǎng)細(xì)比150，應(yīng)力比0.90，鋼管采用Q235B 材質(zhì)，起步斷面尺寸為?76mm×3.75mm，結(jié)構(gòu)撓度＜65mm[8]。庫(kù)頂房網(wǎng)架基本控制參數(shù)為：拉壓桿長(zhǎng)細(xì)比180，應(yīng)力比0.93，鋼管采用Q235B 材質(zhì)，起步斷面尺寸為?60mm×3.50mm，結(jié)構(gòu)撓度＜35mm。

（2）項(xiàng)目所在地工況風(fēng)荷載較大，必須全盤(pán)考慮風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響[1]，經(jīng)3D3S 軟件計(jì)算，分析得出熟料庫(kù)鋼網(wǎng)架風(fēng)荷載參數(shù)，如表1所示。

表1 熟料庫(kù)鋼網(wǎng)架風(fēng)荷載參數(shù)

（3）項(xiàng)目所在地為高烈度地震區(qū)，按現(xiàn)行空間網(wǎng)格規(guī)程對(duì)網(wǎng)架（殼）進(jìn)行豎向和水平抗震驗(yàn)算[9]。模態(tài)分析得出，前4 階為平動(dòng)振型，主振型周期0.45s，振型周期衰減慢；第5階出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振型，主振型周期0.31s。分析本網(wǎng)架（殼）時(shí)，取前25 個(gè)振型對(duì)其進(jìn)行效應(yīng)組合。熟料庫(kù)網(wǎng)架第1 振型、第2 振型、第5振型圖分別如圖2~圖4所示。

圖2 熟料庫(kù)網(wǎng)架第一振型（T=0.45s）

圖4 熟料庫(kù)網(wǎng)架第五振型（T=0.31s）

（4）設(shè)計(jì)比較分析，并驗(yàn)算優(yōu)化桿件截面配置。第一步，對(duì)網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)全部按照螺栓球節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，經(jīng)節(jié)點(diǎn)配件碰撞檢查，得出螺栓最大直徑為M64，螺栓球直徑D=220mm，M64 螺栓出現(xiàn)在支座環(huán)向桿件（拉應(yīng)力為主），與類(lèi)似跨度熟料庫(kù)網(wǎng)架常規(guī)設(shè)計(jì)結(jié)果基本一致。第二步，采取人工指定的方式指定支座環(huán)向桿件（D180mm×10mm），連接節(jié)點(diǎn)采用焊接球連接。經(jīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算，需要WSR450-16 規(guī)格焊接球方能滿足最低要求，球殼內(nèi)加勁肋板焊接空心球材質(zhì)選用Q355B[10]。

（5）焊接球與螺栓球的不同主要在于：每個(gè)焊接球節(jié)點(diǎn)受力均需要驗(yàn)算其性能是否能夠滿足規(guī)范要求，國(guó)產(chǎn)軟件如3D3S、MST等均能完成焊接球節(jié)點(diǎn)受力驗(yàn)算工作，焊接球的質(zhì)量必須符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[11]。螺栓球一般選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45號(hào)鋼[12]，強(qiáng)度較高，螺栓球節(jié)點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)算和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)已形成規(guī)范，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)節(jié)點(diǎn)幾何碰撞檢查選配螺栓球即可。螺栓球及其配件的質(zhì)量必須符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[13-14]。

（6）焊接球網(wǎng)架的優(yōu)勢(shì)在于焊接球節(jié)點(diǎn)氣密性及水密性好，加工制作工序避免了鉆孔對(duì)球體的二次損傷，其由兩個(gè)半球組拼焊接而成，施工安裝的關(guān)鍵點(diǎn)是控制焊縫質(zhì)量和焊接殘余變形。

雖然焊接球節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量大于螺栓球及其配件，但其在加工工序上有較大優(yōu)勢(shì)，兩者各有所長(zhǎng)，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，螺栓球與焊接球結(jié)合將會(huì)產(chǎn)生較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。螺栓球與焊接球建筑信息模型對(duì)比如圖5所示。

圖5 螺栓球與焊接球建筑信息模型對(duì)比

3 熟料庫(kù)栓焊結(jié)合網(wǎng)架的施工安裝

圖3 熟料庫(kù)網(wǎng)架第二振型（T=0.41s）

栓焊節(jié)點(diǎn)混用網(wǎng)架施工與單一類(lèi)型螺栓球或焊接球網(wǎng)架施工有較大的不同，需同時(shí)滿足螺栓球節(jié)點(diǎn)需要的安裝精度和焊接球節(jié)點(diǎn)需要的施工質(zhì)量。依據(jù)住建部37 號(hào)令及31 號(hào)文和相關(guān)施工規(guī)范，項(xiàng)目部對(duì)此危大工程編制了專項(xiàng)施工方案，經(jīng)專家論證通過(guò)后實(shí)施。

3.1 支座環(huán)向焊接球桿件的安裝

棱臺(tái)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主體施工的主要順序?yàn)椋褐ёA(yù)埋件的交安，環(huán)向鋼管與焊接球的拼接（兩端與焊接球在地面組裝），焊接球（分為支座和非支座）的定位測(cè)量和焊接施工，豎向鋼管（一端有錐頭）的焊接固定，第二層環(huán)向桿（兩端螺栓球）的拼裝，徑向桿件的空中拼接，形成網(wǎng)架環(huán)體再逐步螺旋上升至拼裝合攏成型。

第一圈焊接球施工時(shí)，測(cè)量定位是關(guān)鍵，滑動(dòng)支座臨時(shí)固定板件需完好無(wú)斷裂，待上部網(wǎng)架成型、剛度能保證時(shí)方可拆除。驗(yàn)算需要時(shí)，可在混凝土庫(kù)壁設(shè)置化學(xué)螺栓，用鋼絲繩輔助結(jié)合首層網(wǎng)架施工球節(jié)點(diǎn)。環(huán)向焊接球桿件的安裝及其與螺栓球的對(duì)接如圖6所示。

圖6 環(huán)向焊接球桿件的安裝及其與螺栓球的對(duì)接

3.2 棱臺(tái)主體螺栓球網(wǎng)架的安裝

在網(wǎng)架逐步上升直至鋼平臺(tái)合攏的過(guò)程中，需對(duì)網(wǎng)架變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[15-16]，將設(shè)備監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與施工過(guò)程驗(yàn)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，若二者之差超出合理范圍，則必須暫停施工，待問(wèn)題解決后再行施工。本項(xiàng)目利用3D3S 軟件計(jì)算施工步，采取模型逆推拆除的方式，計(jì)算每一施工步的結(jié)果，再反向編制進(jìn)施工方案。

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系（網(wǎng)架網(wǎng)殼）具有超靜定的力學(xué)特性，剛度大，變形微小，在僅有自重并無(wú)其他荷載的情況下，基本不會(huì)出現(xiàn)螺栓無(wú)法安裝的情況。設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能夠使施工更加安全穩(wěn)定，如果設(shè)計(jì)時(shí)一味追求經(jīng)濟(jì)用鋼量（如受拉桿件長(zhǎng)徑比僅按規(guī)范規(guī)定取300），則極有可能在施工時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，反而會(huì)增加施工成本?？臻g網(wǎng)架（殼）施工工況復(fù)雜，設(shè)計(jì)拉桿變成壓桿的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。栓焊結(jié)合網(wǎng)架（殼）結(jié)構(gòu)施工作業(yè)具有一定的挑戰(zhàn)性，焊接定位稍有不慎，則達(dá)不到應(yīng)有的安裝精度，易導(dǎo)致螺栓球網(wǎng)架無(wú)法拼裝，最終導(dǎo)致項(xiàng)目失敗。

項(xiàng)目螺栓球安裝采取1個(gè)節(jié)點(diǎn)球與3根圓管桿件地面組拼成小單元，吊車(chē)將該小單元吊裝到空中總裝位置，由施工人員擰緊螺栓安裝就位，以此類(lèi)推向上推進(jìn)施工。一般情況下，使用小噸位吊車(chē)或工地塔吊即可滿足安裝要求，使用小噸位吊裝設(shè)備靈活方便，施工費(fèi)用低且組裝速度快。網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)小單元螺旋式上升拼裝如圖7所示。

圖7 熟料庫(kù)網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)小單元螺旋式上升拼裝

3.3 網(wǎng)架施工的完成

棱臺(tái)網(wǎng)架施工完畢后，在平臺(tái)面焊接專用鋼支托，安置H 型鋼梁并沿環(huán)梁滿鋪花紋鋼板（設(shè)備預(yù)埋及洞口處除外），待拉鏈機(jī)廊道及收塵器等工藝設(shè)備安裝完畢后，施工庫(kù)頂房屋蓋。

因庫(kù)頂房設(shè)置有5t檢修葫蘆（軌道為工字鋼工32a-Q235B），庫(kù)頂房采用網(wǎng)架體系結(jié)構(gòu)比輕鋼體系結(jié)構(gòu)整體性更好，安全穩(wěn)定性更高。棱臺(tái)屋面采用槽鋼檁條（主次檁）上鋪扇形鋼板，采用鋼板屋面的主要目的是防水抑塵，薄鋼板焊接屋面能形成良好的封閉維護(hù)系統(tǒng)。常規(guī)的彩鋼瓦屋面容易漏灰，加上南方雨水多，搭接位置膠布條因安裝不到位或經(jīng)數(shù)年老化后，極易形成漏水點(diǎn)，且不易檢修。鋼板屋面要求連接焊縫平順，不能出現(xiàn)裂縫或少焊漏焊情況，對(duì)已完成的焊接板面需涂刷油漆防腐，面漆的顏色由業(yè)主或建筑專業(yè)設(shè)計(jì)人員指定。熟料庫(kù)棱臺(tái)網(wǎng)架施工焊接扇形鋼板如圖8所示。

圖8 熟料庫(kù)棱臺(tái)網(wǎng)架施工焊接扇形鋼板

4 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案創(chuàng)新性使用了栓焊結(jié)合網(wǎng)架熟料庫(kù)棱臺(tái)結(jié)構(gòu)體系，提高了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵桿件節(jié)點(diǎn)的可靠性。栓焊結(jié)合網(wǎng)架用于大跨度熟料庫(kù)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）應(yīng)使用計(jì)算軟件對(duì)焊接空心球節(jié)點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，并用實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，確保滿足相關(guān)規(guī)范要求，螺栓球網(wǎng)架和焊接球網(wǎng)架設(shè)計(jì)說(shuō)明中，應(yīng)包括具體的技術(shù)參數(shù)控制要求。

（2）栓焊結(jié)合網(wǎng)架施工方案的制定，需結(jié)合結(jié)構(gòu)形式和場(chǎng)地條件，栓焊結(jié)合網(wǎng)架改變了單一類(lèi)型球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架的施工模式，項(xiàng)目部應(yīng)綜合考慮栓接和焊接的先后順序，準(zhǔn)確把握施工主次，確保安裝精度。本項(xiàng)目采取先焊接球再螺栓球的施工順序，工序簡(jiǎn)單，安裝精度能夠滿足施工方案設(shè)定的目標(biāo)和相關(guān)規(guī)范要求。科學(xué)監(jiān)測(cè)能夠有效指導(dǎo)施工，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)（尤其是大跨度網(wǎng)架），進(jìn)行施工時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是十分必要的。

（3）分別設(shè)計(jì)庫(kù)頂房和棱臺(tái)網(wǎng)架參數(shù)，既能節(jié)約鋼材，也能達(dá)到結(jié)構(gòu)主體剛度合理分布的目的。棱臺(tái)面展開(kāi)后為扇形，波形彩鋼瓦難以實(shí)現(xiàn)抑塵防雨目的，本項(xiàng)目采用薄鋼板并按扇形下料，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接，施工效果好。