雙層螺栓球網殼結構的應用實例研究分析

【摘要】網殼結構因其優美的造型設計和廣泛的運用，成為近年來發展最快的結構之一，本文以浙江國華寧海電廠煤倉大跨度空間螺栓球網殼穹頂設計與施工為例，結合工程的具體情況，闡述其設計與安裝原理。結果表明：該施工方法降低工程造價、縮短工期和保障施工質量，增強市場競爭力，具有良好經濟效益和發展前景。

【關鍵詞】螺栓球結構；設計原理；應用實例；施工方案

一、工程概況

寧海電廠煤倉穹頂采用雙層螺栓球節點球殼，半徑68.349m。球殼跨度129.63m，水平投影面積13194㎡。網架矢高42.98m，球殼厚度2.0m，支承形式為下弦柱點支承。考慮上弦恒荷載0.20kN/㎡，下弦懸掛荷載為60m直徑沿環向2kN/m，活荷載0.5 kN/㎡，基本風壓：0.6 kN/㎡。徑向位移40mm。

二、設計原理

在選擇結構的類型時，應該綜合考慮結構的受力性能和經濟性能，結構的平面形狀尺寸、結構的矢高、邊界支承條件等因素。網殼結構要求簡潔，傳力均勻、明確。

首先通過計算求出結構承受的主要荷載情況、荷載大小、選擇合適的荷載組合，對于電廠煤倉這樣大跨度的空間結構，風荷載在計算中不可忽視。利用哈爾濱工業大學的STACAD網架設計工程軟件，進行網殼計算及施工圖繪制。恒荷載取0.20 kN/㎡，作用在上弦節點上。風荷載是該工程中的重要荷載之一，風荷載體型系數的選取很重要，根據荷載規范和類似工程的風洞試驗結果可以選取適合的體型系數。

該工程采用的雙層網殼結構，是由兩個同心或不同心的單層網殼通過斜腹桿連接而成的。網殼采用四角錐網格，平均桿長3.5米，球殼厚度2.0m，總噸位510.3噸。

邊界條件假定在結構計算尤為重要，網殼結構對邊界條件的要求較高。該工程中，為考慮網殼和扶壁柱的協同工作，將扶壁柱作為網殼彈性支承。為此，將網殼離散為空間桿單元，扶壁柱作為空間梁單元，扶壁柱在標高±0.0處嵌固，對網殼和扶壁柱進行整體計算分析。支座節點的設計與支承條件的假定是大跨度網殼結構中的技術重點。支座節點的構造設計要符合結構設計中的計算假定結果，即程序中結構支座剛度符合實際剛度。網殼結構的支座節點在網殼結構中起重要作用，它連接了網殼結構與下部支承結構，是實現邊界條件假定的重要方法。該工程中，對網殼的36個支座解放其水平約束，單獨計算網殼。將網殼的36個支座設計成不動鉸支座，單獨計算網殼。結合以上情況進行組合，求出網殼的最不利內力。網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有相對位移。

網架的節點構造應滿足：（1）受力均勻合理，傳力明確；（2）確保桿件交于一點，不產生額外彎矩；（3）構造簡潔，制作安裝方便，節約鋼材；（4）減少難于檢查、清潔、涂漆和容易積灰的死角。國內網架結構主要分為：焊接球節點網架和螺栓球節點網架兩種。本工程使用的螺栓球節點由鋼球、螺栓、套筒、螺釘和錐頭等零件組成，每根端部帶有螺栓，擰入球內形成螺栓球節點網架。螺栓球節點網架具有跨度大、重量輕、整體性好、抗震性好等優點，造價也相應低廉，并且由于基本上沒有焊接節點，安裝速度相當快，能在很短的時間內完成工程施工，適用于現場工期時間短，施工條件簡單、用電量受到制約、網架形狀復雜、桿件定位困難的形狀奇異的結構。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規格，重量47.4噸，材料為緊定螺釘。

三、施工方案

對于電廠煤倉來說，面積比較大，相應重量也較大，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，這種方法相對簡單、便于操作，對于大型起重設施要求低，對現場條件和人員要求也不高，幾乎用于各種形狀的網殼的安裝，高空散裝法一般要求在施工區域下方搭設滿堂紅腳手架，在腳手架上滿鋪腳手板形成一個工作平臺，施工人員在平臺上完成安裝作業，由于網架面積較大，腳手架需求量多，租賃、搭設和拆除費用較高。此外，搭設、拆除腳手架工期也較長，影響工程進度，不能體現經濟性，所以這個方法并不理想。因此，該工程根據起重設備的機械性能、安裝高度、現場條件等情況進行多種方案的對比，最后采用不使用腳手架的“分條分塊微型吊具高空散裝法”。

該方法分兩個階段進行：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大，根據起重設施的機械性能、安裝高度、現場條件等因素，將網架劃分為若干個單元，條狀單元一般沿長跨方向分割，其寬度約為1-3個網格，塊狀單元一般沿網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展組合成單元體后，用起重機、千斤頂等垂直吊升或提升到設計位置，臨時固定后，進行條塊間的連接與調整。由于結構為半球型，底部環形網格等分為12份，每一條塊跨越三個支座，外層高兩個網格。第二個階段為微型吊具高空散裝法。在地面上將網架拼成許多小單元，利用吊車或安裝在網架上的微型吊具，吊到設計的位置，由高空作業人員完成節點的連接。

施工工藝流程：制作—運輸—現場驗收—分塊組裝—測量尺寸—分塊吊裝—條塊之間連接—復核尺寸、校正調整—地面拼裝小單元—微型吊具高空散裝—防火漆涂裝—竣工交驗。

此方法的特點是大部分焊接、拼裝工作在地面進行，有利于保障工程質量，不需要較多拼裝支架，有利于節省成本和搭建、拆除腳手架的時間，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量，對作業人員技術、經驗要求高。安裝過程中需要控制安裝偏差，如果偏差過大，超出設計、規范的允許范圍，就會影響施工質量和安裝速度。所以應不定時隨機抽查節點，測量其水平偏差及撓度值，一旦發現問題，及時采取措施整改。在網架安裝時，確保每根桿件的高強螺栓擰緊，尤其是安裝懸挑部分的網架，防止懸挑部分的網架由于自重，高強螺栓未擰緊使套筒端面與螺栓球上螺孔端面產生間隙，從而懸挑部分的網架產生較大的撓度變形。為了保證高強螺栓擰緊，當起重設備把地面上拼裝完成的小單元起吊到高空設計位置時，必須在高強螺栓擰緊后松開吊鉤。