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

        2022-11-28 06:56:40朱玉林
        水泥技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:施工

        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?,由兩個(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。空間網(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,以此類推向上推進(jìn)施工。一般情況下,使用小噸位吊車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??茖W(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。

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