王潔斌，黃奎生

（沈陽科維潤(rùn)工程技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110166）

我國各類企業(yè)料場(chǎng)的物料在早期大多采用露天存放的形式，在三級(jí)以上大風(fēng)天氣時(shí)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(yáng)塵會(huì)導(dǎo)致物料的大量流失，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)露天料場(chǎng)的環(huán)境污染問題，對(duì)料場(chǎng)進(jìn)行棚化封閉勢(shì)在必行。

料場(chǎng)封閉的特點(diǎn)是跨度大、施工難度高、工期要求緊，另外料場(chǎng)的封閉大多采用網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，圍護(hù)材料選用傳統(tǒng)的金屬屋面板，此種建筑結(jié)構(gòu)存在施工周期長(zhǎng)、高空作業(yè)多、采光性能差等缺點(diǎn)，尤其是金屬屋面板的抗腐蝕性能差，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)在其全生命周期中的維護(hù)次數(shù)多、維護(hù)費(fèi)用高。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本文以南方某鋼廠綜合料場(chǎng)封閉項(xiàng)目中的混勻料場(chǎng)為例，提出一種大跨度空間桁架拱骨架膜結(jié)構(gòu)，分析并闡述這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工的性能和特點(diǎn)，以及這種新型結(jié)構(gòu)在料場(chǎng)封閉工程中的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

1 項(xiàng)目概況

南方某鋼廠綜合料場(chǎng)包含2個(gè)一次料場(chǎng)、1個(gè)高爐料場(chǎng)、2個(gè)混勻料場(chǎng)、1個(gè)熔劑料場(chǎng)，料場(chǎng)長(zhǎng)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(chǎng)跨度均80m，內(nèi)部均設(shè)有4臺(tái)半門式刮板取料機(jī)和2臺(tái)天車堆料機(jī)；高爐料場(chǎng)跨度90m，內(nèi)部設(shè)有3臺(tái)斗輪式堆取料機(jī)；混勻料場(chǎng)跨度均為108m，內(nèi)部均設(shè)有2臺(tái)橋式斗輪混勻取料機(jī)和1臺(tái)橋式堆料機(jī)；溶劑料場(chǎng)跨度64m，內(nèi)部設(shè)有1臺(tái)門市刮板取料機(jī)和1臺(tái)橋式堆料機(jī)。綜合料場(chǎng)主要用于滿足年產(chǎn)1000萬噸鐵水的球團(tuán)、塊礦、焦炭、粉礦、生熔劑、混勻礦等原燃料供料。綜合料場(chǎng)工藝布置如圖1所示。

圖1 綜合料場(chǎng)工藝布置圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)料場(chǎng)的工藝特點(diǎn)和參數(shù)，以及國內(nèi)外料場(chǎng)封閉結(jié)構(gòu)形式的對(duì)比和論證，在滿足工藝需求的前提下，選用骨架膜結(jié)構(gòu)作為料場(chǎng)封閉的結(jié)構(gòu)形式，其中骨架為結(jié)構(gòu)的受力體系，而膜材只作為圍護(hù)材料，本項(xiàng)目骨架采用的是東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司）開發(fā)的模塊化空間桁架拱結(jié)構(gòu)體系，膜材采用進(jìn)口PE膜材。

所謂空間桁架拱結(jié)構(gòu)是由主桁架拱、次桁架、支撐體系組成的空間結(jié)構(gòu)體系。其中混勻料場(chǎng)主桁架的標(biāo)準(zhǔn)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。考慮到溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，將料場(chǎng)分為3個(gè)溫度區(qū)段，在每個(gè)溫度區(qū)段設(shè)有12道水平支撐，其中1個(gè)溫度區(qū)段的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

2.2 荷載分析

結(jié)構(gòu)主要承受的荷載有恒荷載、活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載和地震作用，本次設(shè)計(jì)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(fēng)壓0.35kN/m2；設(shè)防烈度為6度（0.05g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算分析程序采用3D3S空間鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，計(jì)算假定：計(jì)算模型中主桁架拱與混凝土短柱基礎(chǔ)采用鉸接支座連接，主桁架拱的弦桿和腹桿采用鋼結(jié)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度應(yīng)力比為0.769，最大平面外穩(wěn)定應(yīng)力比為0.828，最大平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力比為0.574，上述結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的承載力滿足設(shè)計(jì)要求，具有很好的強(qiáng)度和剛度。桿件的應(yīng)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(yīng)力分布情況

圖3 最大位移圖

2.4 結(jié)構(gòu)模塊化

為了便于結(jié)構(gòu)體系的制作和安裝，主桁架拱和次桁架均采用模塊化設(shè)計(jì)，其中混勻料場(chǎng)1榀主桁架拱由5個(gè)中部桁架模塊和2個(gè)端部桁架模塊組成，中部桁架模塊之間通過法蘭盤和高強(qiáng)螺栓進(jìn)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(qiáng)螺栓進(jìn)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(chǔ)進(jìn)行連接。2榀主桁架拱之間由19個(gè)次桁架模塊跟主桁架拱之間用高強(qiáng)螺栓連接。這種模塊化的設(shè)計(jì)即滿足了結(jié)構(gòu)計(jì)算假定的同時(shí)，又可實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊在工廠預(yù)制加工，為施工提供了便利。

3 施工方法

空間桁架拱結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，高強(qiáng)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：?jiǎn)卧w的拼裝，將加工廠預(yù)制的各種標(biāo)準(zhǔn)模塊運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(chǔ)上，另一端用吊車緩慢放置地面上的臨時(shí)平臺(tái)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(shí)平臺(tái)上組對(duì)，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(duì)單元體3、單元體4、單元體5在地面進(jìn)行拼裝，拼裝成組合體2。

第六步：利用2臺(tái)履帶吊對(duì)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(tái)履帶吊將單元體2吊運(yùn)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(cè)組合體1、組合體3同時(shí)進(jìn)行合攏。

第七步：利用4臺(tái)汽車吊機(jī)將作業(yè)人員送至待拼裝節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行組合體1、組合體2、組合體3拼接安裝?，F(xiàn)場(chǎng)施工照片如圖5～8所示。

以混勻料場(chǎng)為例，兩個(gè)混勻料場(chǎng)總建筑面積約87000m2,上部鋼結(jié)構(gòu)及膜系統(tǒng)的安裝施工周期僅為65天?？梢姡@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(jié)束語

（1）大跨度料棚采用空間桁架拱骨架膜結(jié)構(gòu)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(jià)低，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和美觀性的統(tǒng)一。

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

（3）采用模塊化設(shè)計(jì)與制作，實(shí)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(chǎng)施焊作業(yè)，有效降低建筑結(jié)構(gòu)的投資成本，可獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。