綜合料場鋼結構罩棚方案設計

李軍

摘要：以天津鐵廠有限公司二料場綜合混勻料場為研究對象，分析對比單拱單跨鋼結構罩棚和單跨雙跨鋼結構罩棚，從結構安全性、工藝適應性和經(jīng)濟性三方面進行方案優(yōu)選和分析。確定料場鋼結構罩棚的初步設計方案。結果表明：在滿足料場存儲、堆取料等工藝前提下，采用設立中柱的單拱雙跨鋼結構罩棚可以大幅度降低混凝土及屋架用鋼量，可以確保結構的穩(wěn)定性，大大節(jié)省了項目的投資費用。

關鍵詞：單拱雙跨;封閉料場;優(yōu)選方案;穩(wěn)定性

1? 工程概況

天津鐵廠有限公司二料場綜合混勻料場主要用于存放燒結礦、精粉、混勻料等原料，料場總面積約75000m2（平面尺寸約為600m×125m）。綜合料場在建設時為露天開放性料場，料場作業(yè)時揚塵較大，污染嚴重，為了滿足國家對露天料場存儲料的環(huán)保要求，料場需時刻覆蓋料堆，給堆取料造成很大困難，嚴重影響了正常生產(chǎn)，且覆蓋料堆需要耗費巨大的人力物力，因此綜合混勻料場封閉勢在必行。料場現(xiàn)有2臺堆料機，4臺取料機，整個料場分割為兩部分（圖1）。料場內(nèi)堆料機最大起升高度約為15.1m，封閉長度為570m，寬度為120m，兩側設1.5m高混凝土擋墻，屋頂和維護結構為彩鋼板，罩棚兩端設立大門，料場封閉考慮合理采光，雨排水設計為有組織排水，棚內(nèi)設干霧降塵設施。

2? 結構選型和布置

該料場東側為混凝土擋墻，高出料場約13.5m，擋墻距離堆料機機尾約4m，西側為上料通廊和混勻配料室（配料室長約105m，高約35m），配料室外墻距離取料機約1.4米。料場中間通道上，堆料機和取料機相錯時最近處間距1.2m。整個料場被中間通道分為東西兩個料條，每個料條各有1臺堆料臺機，2臺取料機，兩料條設備無交叉作業(yè)。因兩側原有建筑限制，罩棚封閉時需在東西兩側設置立柱，高出堆料機最高處和檢修空間，頂面采用鋼結構拱形網(wǎng)架結構，屋蓋坐在支撐立柱上。在料棚初步設計中有兩種方案可供選擇，第一種：為單拱單跨（120m跨度）球型網(wǎng)架拉索結構，直接橫跨兩個料條。第二種：改動堆料機或取料機，增加中間通道空間，在兩料條中間設立中柱，為單拱雙跨球型網(wǎng)架結構。考慮堆料機最大起升高度和檢修空間，總結構高度控制在32.7m左右。

2.1? 方案優(yōu)選

2.1.1? 結構形式優(yōu)選

本項目罩棚分別從結構安全性、工藝適應性和經(jīng)濟性三個方面對單拱單垮和單拱雙跨結構方案進行優(yōu)選分析（圖2）。

結構安全性。單拱單垮結構，跨度為120m，網(wǎng)架結構需采用加強加大型材料加設拉索網(wǎng)架結構形式。這樣兩側立柱將承受較大橫向剪切力和拉力，立柱因此設計過大。此外，由于拱形網(wǎng)架矢高較低，拉索的效率更低，在風荷載控制組合作用下更容易出現(xiàn)拉索松弛現(xiàn)象，不利于結構受力，從而降低結構的安全性。拉索高度24米，拉索的預張及錨固需要有資質(zhì)的專業(yè)隊伍施工，使用期間需經(jīng)常檢測拉索的變形，如變形過大要及時調(diào)整，維護不方便。

單拱雙跨方案，取消拉索，增加中間立柱，跨度減小一半，屋架設計降低幾個等級，三排立柱支撐下結構更加穩(wěn)定。

2）工藝適應性。經(jīng)過前期試算，采用單拱單跨方案，兩側柱子無論采用混凝土柱還是鋼管混凝土柱，截面規(guī)格尺寸過大且不經(jīng)濟，因屋蓋反力增大，邊柱規(guī)格需提高一個等級，截面尺寸接近2.5m×2.5m，大大占用料場空間，因料場東側擋墻和西側建筑限制，大型立柱安裝困難。

綜合混勻料場被中間通道分割為兩個料條，中間道路為檢修人員通道，大型機械無法通過，中間設立柱子后不影響人員通行，對料場整體存放料更不影響。通道東側為取料機，西側為堆料機，各自作業(yè)，互不影響，因此料棚中間設立柱方案利用率更高，且節(jié)省材料。

3）經(jīng)濟性。經(jīng)初步對比，單拱雙跨方案，改造縮短堆料機機尾費用約為20萬元，但比單拱單跨方案用鋼量節(jié)省至少15%-20%。此外，設立中柱，上部結構傳至邊柱的反力減小，邊柱設計尺寸減少，土建部分用量也相應減少。經(jīng)比較，中間設立中柱的單拱雙跨結構綜合造價成本相比單拱單跨費用至少降低10%。

從安全性、適應性和經(jīng)濟性三方面分析對比，最終確定本項目主結構采用單拱雙跨球型網(wǎng)架結構。

2.1.2? 邊柱尺寸確定

在已選定單拱雙跨方案中，考慮到東側擋墻、西側通廊限制、堆料機和取料機凈空要求及體系受力特征，邊柱采用圓柱鋼管混凝土結構，是比較可行的方案。東側擋墻距離堆料機機尾尺寸約為3.5m，因擋墻基礎影響，柱子外側距擋墻需相隔1.5m距離，堆料機工作時需和柱子保持0.6m-1m安全距離，邊柱尺寸寬度確定為1m，考慮邊柱主要承受橫向剪力和拉力，故邊柱采用抗剪抗拉強的圓柱鋼管混凝土結構，直徑為1m。西側為通廊和配料室，通廊區(qū)域空間較大，邊柱采用和東側一樣直徑為1m的圓柱鋼管混凝土結構。配料室為鋼筋混凝土框架結構，其外墻距取料機1.4m，間距過小，經(jīng)測算后，在配料室柱子上加設鋼結構牛腿平臺，牛腿平臺中心和西側柱子為同一軸線，配料室區(qū)域網(wǎng)架支撐在牛腿平臺上，采用活動鉸座連接，使罩棚結構和配料室分隔為兩體，解決該段區(qū)域立柱問題（圖3）。

2.1.3? 柱高確定

考慮堆料機最大起升高度和檢修空間，罩棚總高度控制在32.7m，拱底凈高為24m，拱頂凈高為28m。受場地限制，柱子截面尺寸最大確定為1m，柱子截面過小，當高度增加時，因其截面未達到抗壓極限強度，由于屈曲（即穩(wěn)定）將會破壞，故柱子設計最高為16m。為了滿足罩棚空間要求，柱頂上部改為局部球形網(wǎng)架和屋蓋連為一體，共同支撐屋架系統(tǒng)，滿足結構體系要求（圖3）。

2.1.4? 中柱尺寸確定