煤場封閉改造工程設計與吊裝驗算要點

郭立志 汪 濤 蔡 威

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054； 2.徐州中煤百甲重鋼科技股份有限公司，江蘇 徐州 221113)

0 引言

隨著環境保護要求的日趨嚴峻，露天煤場封閉可減少對環境的污染。本工程的煤場已經形成，而且生產不能間斷，斗輪堆取料機作業半徑30 m，煤場儲煤10萬t，煤場跨度103.9 m。本文通過工程實例，用空間結構分析設計軟件MST2016對儲煤場進行設計和吊裝驗算，同時簡述鋼網殼設計與施工的要點，為以后類似工程提供參考。

1 工程概況

晉城熱電廠煤場封閉項目位于晉城市金村鎮上辛安村，煤場用擋風抑塵墻圍護，已不滿足環保要求。工程改造形式為三心圓雙層柱面網殼，網殼山墻結構形式：上半部分為屋面懸掛網架，下半部分為現有抑塵墻更換墻板。網殼跨度103.9 m,縱向長度213.7 m，覆蓋面積22 000 m2，矢高37.2 m，網殼厚度3 m，縱向分為24個軸線。網殼支座支承在1.8 m高的鋼筋混凝土柱子上，地面以上2.2 m采用磚墻圍護(見圖1),屋面及墻面采用單層壓型鋼板圍護。

2 結構設計

2.1 上部結構選型

晉城熱電廠儲煤場采用三心圓柱面網殼，三心圓柱面網殼有受力合理、結構剛度大、施工方便的優點[1]。其受力性能與體型有密切關系，相同跨度不同體型的三心圓柱面網殼內力分布和峰值可能存在較大差異，所以合理的體型能使結構具有良好的受力性能，并可節省用鋼量[2]。通過單心圓柱面和三心圓柱面比較，三心圓柱面能降低結構標高，提高空間利用率。

2.2 計算參數及荷載取值

1)上弦恒載(標準值)：0.30 kN/m2；下弦恒載(標準值)：0.15 kN/m2；

下弦馬道靜載、活載(節點荷載)：2 kN；

2)上弦活載(標準值)：0.50 kN/m2；

3)基本雪壓：0.30 kN/m2；

4)基本風壓：0.50 kN/m2；

5)設計溫度差值：±35 °C；

6)本工程抗震設計的抗震設防烈度為6度。設計地震基本加速度為0.05g；

7)建筑場地類別為B類，建筑的抗震設防分類標準為丙類。

設計時考慮半跨積雪的不利影響。

2.3 邊界條件

網殼結構的邊界約束可分為自由、彈性、固定及強迫位移4種，而邊界條件的確定應與支座構造和下部支撐結構相一致[3]。網殼結構是對邊界條件敏感的結構。設計時,應根據強度、剛度、支座水平推力和溫度應力影響等幾方面的因素綜合選擇合理的邊界條件。為保證網殼結構的殼體受力特性,一般不采用法向放松的邊界條件[4]。

本工程混凝土懸臂柱截面取900 mm×1 550 mm，柱高2 m，橡膠支座尺寸：a×b=380×380，總厚度50 mm，中間分層放置厚度為3 mm的加勁鋼板，di=11 mm。膠墊采用氯丁橡膠，與預埋件采用502膠粘劑粘結固定，在橡膠墊四周涂酚醛樹脂，并粘結泡沫塑料。

橡膠支座的側向剛度：

(1)

橡膠支座的豎向剛度：

(2)

柱側向剛度：

(3)

(4)

橡膠墊板與支撐柱的組合剛度，根據串聯彈性單元的原理，求得:

(5)

(6)

據此計算出標準組合下豎向支座反力Rmax=466 kN，基本組合下最大水平推力Vmax=600 kN。根據橡膠墊板力學性能[5]表，取[σ]=7.84 MPa，橡膠墊板底面面積：

(7)

滿足《空間網格結構技術規程》要求[5]。采用如圖2做法，可保證橡膠支座在水平力作用下不產生滑動。為了釋放縱向的溫度應力，支座墊板開長圓孔。

2.4 應力比統計

經過優化，桿件應力比統計如圖3所示,大部分桿件應力比在0.5～0.8之間。

2.5 網殼撓度

在恒荷載與活荷載標準值作用下的最大撓度值為286 mm≤103 900/250=436 mm，滿足《空間網格結構技術規程》要求[5]。

2.6 基礎設計

場地土層分布不均勻，一側基礎落在回填土上，另一側基礎落在粉質黏土層上。回填土已回填10年，在煤壓和土體自重作用下沉降變形基本穩定，本次對地基不作處理。

原擋風抑塵墻基礎類型為柱下獨立基礎，埋深3 m，基礎高度800 mm，沿儲煤場四周布置，每個基礎混凝土量約11 m3，如果拆除外運，將產生大量的建筑垃圾，同時增加工程造價。本次設計用原有基礎作為新基礎的墊層，鋼網殼基礎采用柱下條形基礎，由于場地限制，網殼水平推力又較大，為滿足抗傾覆要求，采用偏心布置。

3 吊裝驗算

根據該工程的實際情況，對該工程網殼采用先安裝起步單元，然后以起步單元作為支撐，其他桿件采用高空散裝的施工方案。將網架的起步單元選擇在10軸～12軸(煤場縱向中間部分)，寬度方向為上弦3個網格，下弦4個網格，長度方向為網架的跨度。采用“單邊起拱”的施工方法：從一端支座往另一端支座，采用吊車抬吊進行三角錐安裝，在安裝過程中，為了控制起步單元的跨向尺寸，對起步單元臨時采用鋼索進行張緊控制，鋼索連接測力計，以保證起步單元順力就位，待起步單元安裝完成后，拆去鋼索。

這種安裝方法優點：在場地作業面不受限制條件下，不用搭腳手架，作業面需三臺吊車配合一個班組8名安裝工人即可完成施工，減少高空作業，隨著安裝推進，最終需要5臺吊車。

起步單元吊裝驗算：每根鋼絲繩增加一個10 t的測力計，通過力和位移的雙控措施保證起步單元的順利安裝。本工程起步單元施工共分為18個步驟，經驗算，最不利吊裝工況為第17步，此吊裝狀態時的驗算結果見圖4，鋼索的應力最大，最大應力為248 N/mm2<310 N/mm2，最大應力比為0.8<1(見圖5)，滿足吊裝要求。

4 結語

1)本文針對工程實例，對大跨度儲煤場進行設計，結合施工方案做吊裝計算，保障工程順利施工，同時為類似工程提供參考。

2)設計時應考慮半跨積雪的不利影響，網殼支座和混凝土柱的串聯剛度為約束邊界條件，可更好地模擬網殼的實際受力情況。

3)采用單邊起拱的施工方案，可適應場地受局限的情況，不用搭設腳手架，施工上更安全，便捷。