超大跨度球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工

常州第一建筑集團有限公司 常州 213002

1 工程概況

福建石獅鴻山熱電廠距石獅市區(qū)約15 km，二期擴建工程2×1 000 MW供熱機組，由2 個球面煤場組成。每個煤場擋煤墻高22.8 m，梁頂周邊設(shè)36 根用于支撐網(wǎng)殼的高1.8 m的混凝土短柱，網(wǎng)殼采用四角錐螺栓球節(jié)點結(jié)構(gòu)體系，底徑121.2 m，高50.10 m，厚2.8 m，網(wǎng)格大小4.0 m左右，展開面積為20 192 m2，上鋪單層彩板。高44 m預(yù)留輸煤棧橋7.0 m×6.8 m孔洞，高56.0 m設(shè)環(huán)形檢修平臺，球面煤場采用自然通風(fēng)方式，采光排氣樓Φ21 m，高出頂部2.8 m，通風(fēng)廳標高72.3 m，見圖1。球面煤場內(nèi)部須滿足堆取料機的自由回轉(zhuǎn)，并適當考慮余度，各控制點的尺寸和標高，見圖2。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

2.1 靜載、活載[1,2]

圖1 網(wǎng)殼平面示意

圖2 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)剖面示意

上弦靜載：0.25 kN/m2（不含網(wǎng)殼自重），上弦活載：0.50 kN/m2，馬道靜載：0.80 kN/m2以上荷載均為標準值。

2.2 風(fēng)荷載

風(fēng)荷載對該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的計算影響較大，而本屋蓋屬于超限大跨度空間結(jié)構(gòu)，根據(jù)審查技術(shù)要點及荷載規(guī)范，基本風(fēng)壓采用百年一遇的要求，取荷載為0.90 kN/m2。主體結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù)1.6，體型系數(shù)參照風(fēng)洞實驗報告，綜合考慮單個煤棚先裝和2 個煤棚安裝好的風(fēng)載相互影響因素。

2.3 抗震設(shè)計[3,4]

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》 （GB50011—2010）附錄A規(guī)定，石獅市抗震設(shè)防烈度為7度，地震分組第二組，設(shè)計按8度設(shè)防、加速度為0.205g，反應(yīng)譜特征周期0.36 s，本工程的抗震設(shè)防類別為丙類。

2.4 其他技術(shù)要求

根據(jù)設(shè)計技術(shù)協(xié)議要求，本工程安全等級為一級，結(jié)合本工程為超限大跨度空間結(jié)構(gòu)，重要性系數(shù)應(yīng)取1.1。網(wǎng)殼設(shè)計應(yīng)考慮極端溫度與安裝時的溫度差±30 K工況，鋼材Q235B，強度設(shè)計控制193.5 N/mm2，根據(jù)荷載規(guī)范基本風(fēng)壓為0。

2.5 支座約束假定

網(wǎng)殼設(shè)計采用36 只徑向釋放、切向固定的單向滑動支座，通過滑動支座將屋蓋網(wǎng)殼和下部擋煤墻連接，使得煤倉煤壓、溫度變化對上部屋蓋的影響減小，從而可以實現(xiàn)網(wǎng)殼和下部混凝土短柱及艙壁分開計算，避免通過復(fù)雜的整體建模計算。整體計算僅用于結(jié)構(gòu)安全校核。

2.6 設(shè)計計算結(jié)果[5,6]

網(wǎng)殼設(shè)計采用浙江大學(xué)空間結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件MST2011，通用有限元Midas校核。計算最大撓度96 mm（遠小于L/300），網(wǎng)殼承載力與正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)組合靜力分析，振型反應(yīng)譜法動力分析，考慮初始缺陷（L/300）幾何非線性特征值屈曲系數(shù)分析穩(wěn)定計算，均滿足現(xiàn)行規(guī)范，并通過結(jié)構(gòu)安全審查。

3 施工工藝[7]

3.1 方案優(yōu)選

常規(guī)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的施工方法有：高空散裝法、分條（塊）安裝法、滑移法和提升法等。根據(jù)本工程的特點，上述施工方法費用投入很大，極不經(jīng)濟合理，占用工期較長。通過對本工程的計算機模擬施工分析計算，對方案進行反復(fù)論證，通過優(yōu)化施工工藝和流程，采用高空懸挑散裝法施工方案，整個施工過程無需支架支撐，可以節(jié)省工期，大大降低施工成本。

3.2 工藝原理

利用球面網(wǎng)殼合攏后形成穩(wěn)定的自平衡結(jié)構(gòu)體系，自下而上遞進、由外向內(nèi)逐圈合攏施工，地面預(yù)先小拼單元，利用汽車吊和自制扒桿完成高空懸挑對接安裝。由1 球3 桿組成的小錐體單元，地面拼裝，按組疊放整齊，占用施工場地較小，高空直接將桿件螺栓一次緊固到位，由于錐體質(zhì)量輕，汽車吊移動靈活，回轉(zhuǎn)半徑較大，充分發(fā)揮高空的連續(xù)作業(yè)，整個網(wǎng)殼安裝過程中無需腳手架操作平臺，經(jīng)濟高效。

3.3 施工流程

根據(jù)本工程超大跨度的結(jié)構(gòu)特點和吊車的性能參數(shù)，按照網(wǎng)格層數(shù)劃分3 個施工段。第1施工段：第1～3層，網(wǎng)殼按照支座間距分為36 榀吊裝單元地面組裝，500 kN汽吊吊裝，施工標高至29.80 m；第2施工段：第3～10層，地面組裝小錐體單元，500 kN汽吊吊裝，施工標高至52.5 m；第3施工段：第10～22層，地面組裝小錐體單元，自制扒桿和卷揚機吊裝，施工至網(wǎng)殼頂部72.30 m（圖3）。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 測量放線

網(wǎng)殼安裝前，應(yīng)對基礎(chǔ)支座埋件進行測量放線，彈出支座中心線。根據(jù)測量數(shù)據(jù)在每個預(yù)埋件徑向兩邊焊接L形支座擋板，臨時固定第1圈成型的網(wǎng)殼支座。

4.2 第1施工段拼裝

圖3 施工流程

網(wǎng)殼第1～3層分成36 榀網(wǎng)架單元，每榀地面組裝，500 kN吊車吊裝，每榀單元取3 個吊點，頂端下弦球2 個、上弦球1 個。下弦吊點鋼絲繩固定，上弦吊點500 kN手拉葫蘆固定，以便單元網(wǎng)架角度調(diào)整。第1榀網(wǎng)架單元就位后，支座L形擋塊定位固定。第1施工段圓弧合攏封閉前，向煤棚中心有傾覆力，因此每榀網(wǎng)架單元2 只支座設(shè)置臨時支撐。經(jīng)過計算，撐桿采用Φ114 mm鋼管，頂部固定在對應(yīng)支座位置下弦第2排球節(jié)點，底部采用調(diào)節(jié)螺桿固定在混凝土平臺上，方便調(diào)節(jié)高度，鋼管一定要確保與平臺垂直，受力均衡，吊車才能脫鉤。第2榀單元網(wǎng)架起吊后，緩慢靠近第1榀網(wǎng)架單元，由上至下、先腹桿再水平桿順序?qū)雍螅ё潭?，連接撐桿，以此類推，完成后續(xù)單元網(wǎng)架吊裝直至合攏，再次復(fù)核尺寸和位置，確認無誤后支座焊接，進行下道工序的施工。

4.3 第2施工段拼裝

由于高度增加，從4層開始，地面拼裝改為小錐體單元，利用2 臺500 kN汽車吊分2 組進行吊裝，每組配置相應(yīng)的地面和高空施工人員，統(tǒng)一指揮，2 組人員同時進行高空作業(yè)，當進入到每一層網(wǎng)架合攏時，一定要進行尺寸測量，檢查每個螺栓是否緊固，這樣才能保證網(wǎng)架的順利合攏。第2施工段可吊至網(wǎng)架第10層（標高+52.5 m處）。

4.4 第3施工段拼裝

受汽車吊臂長和起重性能限制，從第11層開始進入自行設(shè)計人工扒桿吊裝。扒桿采用3 根Φ48 mm×3.5 mm鋼管焊接成三角桁架，10 kN卷揚機（帶限位）固定在地面中央位置，鋼絲繩通過滑輪牽引至扒桿端頭。扒桿用吊車吊上網(wǎng)架，調(diào)整好方向后用鎖扣、綁帶進行固定。當卷揚機把錐體單元提升到位后，高空人員進行相鄰桿件對接。頂部通風(fēng)氣樓為圓形平板網(wǎng)架，在已安裝完成球殼上鋪設(shè)腳手板，利用卷揚機吊運構(gòu)件一次性安裝完畢。

4.5 圍護結(jié)構(gòu)安裝

網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)施工完畢，形成閉合的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，作為圍護系統(tǒng)施工的作業(yè)平臺。根據(jù)設(shè)計將整個屋面分成12 個等分區(qū)，按分區(qū)將檁條和彩板由下往上就位，以每個分區(qū)的中心線為安裝起始點，同時向兩邊進行安裝，高空施工配自制爬梯，卷揚機運送構(gòu)件。整個網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)施工過程見圖4。

圖4 網(wǎng)殼施工示意

5 結(jié)語

結(jié)合工程特點，掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計要點，控制關(guān)鍵施工技術(shù)，做到方案先行，過程可控，在確保設(shè)計安全和施工質(zhì)量前提下，達到降本增效。本文介紹超大跨度球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工技術(shù)，具有一定的推廣實用價值。