雙層螺栓球網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例研究分析

文/李育薇 蘇州科技學(xué)院 江蘇蘇州 215009

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雙層螺栓球網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例研究分析

文/李育薇 蘇州科技學(xué)院 江蘇蘇州 215009

【摘要】網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)因其優(yōu)美的造型設(shè)計(jì)和廣泛的運(yùn)用，成為近年來(lái)發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)之一，本文以浙江國(guó)華寧海電廠煤倉(cāng)大跨度空間螺栓球網(wǎng)殼穹頂設(shè)計(jì)與施工為例，結(jié)合工程的具體情況，闡述其設(shè)計(jì)與安裝原理。結(jié)果表明：該施工方法降低工程造價(jià)、縮短工期和保障施工質(zhì)量，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有良好經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】螺栓球結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)原理；應(yīng)用實(shí)例；施工方案

一、工程概況

寧海電廠煤倉(cāng)穹頂采用雙層螺栓球節(jié)點(diǎn)球殼，半徑68.349m。球殼跨度129.63m，水平投影面積13194m2。網(wǎng)架矢高42.98m，球殼厚度2.0m，支承形式為下弦柱點(diǎn)支承。考慮上弦恒荷載0.20kN/m2，下弦懸掛荷載為60m直徑沿環(huán)向2kN/m,活荷載0.5 kN/m2，基本風(fēng)壓：0.6 kN/m2。徑向位移40mm。

二、設(shè)計(jì)原理

在選擇結(jié)構(gòu)的類型時(shí)，應(yīng)該綜合考慮結(jié)構(gòu)的受力性能和經(jīng)濟(jì)性能，結(jié)構(gòu)的平面形狀尺寸、結(jié)構(gòu)的矢高、邊界支承條件等因素。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)要求簡(jiǎn)潔，傳力均勻、明確。

首先通過(guò)計(jì)算求出結(jié)構(gòu)承受的主要荷載情況、荷載大小、選擇合適的荷載組合，對(duì)于電廠煤倉(cāng)這樣大跨度的空間結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載在計(jì)算中不可忽視。利用哈爾濱工業(yè)大學(xué)的STACAD網(wǎng)架設(shè)計(jì)工程軟件，進(jìn)行網(wǎng)殼計(jì)算及施工圖繪制。恒荷載取0.20 kN/m2，作用在上弦節(jié)點(diǎn)上。風(fēng)荷載是該工程中的重要荷載之一，風(fēng)荷載體型系數(shù)的選取很重要，根據(jù)荷載規(guī)范和類似工程的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可以選取適合的體型系數(shù)。

該工程采用的雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，是由兩個(gè)同心或不同心的單層網(wǎng)殼通過(guò)斜腹桿連接而成的。網(wǎng)殼采用四角錐網(wǎng)格，平均桿長(zhǎng)3.5米，球殼厚度2.0m，總噸位510.3噸。

邊界條件假定在結(jié)構(gòu)計(jì)算尤為重要，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對(duì)邊界條件的要求較高。該工程中，為考慮網(wǎng)殼和扶壁柱的協(xié)同工作，將扶壁柱作為網(wǎng)殼彈性支承。為此，將網(wǎng)殼離散為空間桿單元，扶壁柱作為空間梁?jiǎn)卧霰谥跇?biāo)高±0.0處嵌固，對(duì)網(wǎng)殼和扶壁柱進(jìn)行整體計(jì)算分析。支座節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與支承條件的假定是大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的技術(shù)重點(diǎn)。支座節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)要符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的計(jì)算假定結(jié)果，即程序中結(jié)構(gòu)支座剛度符合實(shí)際剛度。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的支座節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中起重要作用,它連接了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)邊界條件假定的重要方法。該工程中，對(duì)網(wǎng)殼的36個(gè)支座解放其水平約束，單獨(dú)計(jì)算網(wǎng)殼。將網(wǎng)殼的36個(gè)支座設(shè)計(jì)成不動(dòng)鉸支座，單獨(dú)計(jì)算網(wǎng)殼。結(jié)合以上情況進(jìn)行組合，求出網(wǎng)殼的最不利內(nèi)力。網(wǎng)殼支座采用平板支座，平板底座與柱頂混凝土埋件焊牢使其沒(méi)有相對(duì)位移。

網(wǎng)架的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)滿足：（1）受力均勻合理，傳力明確；（2）確保桿件交于一點(diǎn)，不產(chǎn)生額外彎矩；（3）構(gòu)造簡(jiǎn)潔，制作安裝方便，節(jié)約鋼材；（4）減少難于檢查、清潔、涂漆和容易積灰的死角。國(guó)內(nèi)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要分為：焊接球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架和螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架兩種。本工程使用的螺栓球節(jié)點(diǎn)由鋼球、螺栓、套筒、螺釘和錐頭等零件組成，每根端部帶有螺栓，擰入球內(nèi)形成螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架。螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架具有跨度大、重量輕、整體性好、抗震性好等優(yōu)點(diǎn)，造價(jià)也相應(yīng)低廉，并且由于基本上沒(méi)有焊接節(jié)點(diǎn)，安裝速度相當(dāng)快，能在很短的時(shí)間內(nèi)完成工程施工，適用于現(xiàn)場(chǎng)工期時(shí)間短，施工條件簡(jiǎn)單、用電量受到制約、網(wǎng)架形狀復(fù)雜、桿件定位困難的形狀奇異的結(jié)構(gòu)。鋼球尺寸受相鄰桿件的夾角小、螺栓的直徑和螺栓伸入球體的深度等因素影響。該工程螺栓球采用D130，D150，D180，D200，D250規(guī)格，重量47.4噸，材料為緊定螺釘。

三、施工方案

對(duì)于電廠煤倉(cāng)來(lái)說(shuō)，面積比較大，相應(yīng)重量也較大，不利于地面拼裝。螺栓球常用的方法是滿堂紅腳手架高空散裝法，這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單、便于操作，對(duì)于大型起重設(shè)施要求低，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件和人員要求也不高，幾乎用于各種形狀的網(wǎng)殼的安裝，高空散裝法一般要求在施工區(qū)域下方搭設(shè)滿堂紅腳手架，在腳手架上滿鋪腳手板形成一個(gè)工作平臺(tái)，施工人員在平臺(tái)上完成安裝作業(yè)，由于網(wǎng)架面積較大，腳手架需求量多，租賃、搭設(shè)和拆除費(fèi)用較高。此外，搭設(shè)、拆除腳手架工期也較長(zhǎng)，影響工程進(jìn)度，不能體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，所以這個(gè)方法并不理想。因此，該工程根據(jù)起重設(shè)備的機(jī)械性能、安裝高度、現(xiàn)場(chǎng)條件等情況進(jìn)行多種方案的對(duì)比，最后采用不使用腳手架的“分條分塊微型吊具高空散裝法”。

該方法分兩個(gè)階段進(jìn)行：第一階段為分條分塊安裝法，分條分塊安裝法是高空散裝法的組合擴(kuò)大，根據(jù)起重設(shè)施的機(jī)械性能、安裝高度、現(xiàn)場(chǎng)條件等因素，將網(wǎng)架劃分為若干個(gè)單元，條狀單元一般沿長(zhǎng)跨方向分割，其寬度約為1-3個(gè)網(wǎng)格，塊狀單元一般沿網(wǎng)架平面縱橫向分割成矩形或正方形單元。在地面上拼裝成條狀或塊狀擴(kuò)展組合成單元體后，用起重機(jī)、千斤頂?shù)却怪钡跎蛱嵘皆O(shè)計(jì)位置，臨時(shí)固定后，進(jìn)行條塊間的連接與調(diào)整。由于結(jié)構(gòu)為半球型，底部環(huán)形網(wǎng)格等分為12份，每一條塊跨越三個(gè)支座，外層高兩個(gè)網(wǎng)格。第二個(gè)階段為微型吊具高空散裝法。在地面上將網(wǎng)架拼成許多小單元，利用吊車或安裝在網(wǎng)架上的微型吊具，吊到設(shè)計(jì)的位置，由高空作業(yè)人員完成節(jié)點(diǎn)的連接。

施工工藝流程：制作—運(yùn)輸—現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收—分塊組裝—測(cè)量尺寸—分塊吊裝—條塊之間連接—復(fù)核尺寸、校正調(diào)整—地面拼裝小單元—微型吊具高空散裝—防火漆涂裝—竣工交驗(yàn)。

此方法的特點(diǎn)是大部分焊接、拼裝工作在地面進(jìn)行，有利于保障工程質(zhì)量，不需要較多拼裝支架，有利于節(jié)省成本和搭建、拆除腳手架的時(shí)間，有利于縮短工期。但是分條分塊安裝法仍有一定的高空作業(yè)量，對(duì)作業(yè)人員技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)要求高。安裝過(guò)程中需要控制安裝偏差，如果偏差過(guò)大，超出設(shè)計(jì)、規(guī)范的允許范圍，就會(huì)影響施工質(zhì)量和安裝速度。所以應(yīng)不定時(shí)隨機(jī)抽查節(jié)點(diǎn)，測(cè)量其水平偏差及撓度值，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)采取措施整改。在網(wǎng)架安裝時(shí)，確保每根桿件的高強(qiáng)螺栓擰緊，尤其是安裝懸挑部分的網(wǎng)架，防止懸挑部分的網(wǎng)架由于自重，高強(qiáng)螺栓未擰緊使套筒端面與螺栓球上螺孔端面產(chǎn)生間隙，從而懸挑部分的網(wǎng)架產(chǎn)生較大的撓度變形。為了保證高強(qiáng)螺栓擰緊，當(dāng)起重設(shè)備把地面上拼裝完成的小單元起吊到高空設(shè)計(jì)位置時(shí)，必須在高強(qiáng)螺栓擰緊后松開(kāi)吊鉤。