栓焊結合鋼網(wǎng)架熟料庫屋蓋設計與施工安裝

朱玉林

1 熟料庫鋼網(wǎng)架屋蓋結構基本情況

某水泥廠熟料庫鋼網(wǎng)架屋蓋結構工程項目位于云南省大理市，主要環(huán)境荷載參數(shù)[1]：抗震設防烈度為8 度，設計基本地震加速度為0.20g，分組為第三組；基本風壓為0.65kN/m2，沒有雪荷載。熟料庫鋼網(wǎng)架屋蓋分為上部庫頂房網(wǎng)架和下部棱臺網(wǎng)架（堆料工藝線需求造型）兩部分。熟料庫上部庫頂標高為25.000m，預埋件鋼板尺寸為30mm×700mm×700mm，材質為Q355B。庫頂房網(wǎng)架直徑D2=15.000m，結構檐口標高為59.500m，屋面及墻面封閉維護板材均采用厚0.6mm 的840 型彩鋼板。下部棱臺網(wǎng)架（殼）直徑D1=60.650m，網(wǎng)格結構凈高度為19.880m，設置36副單向滑動支座。支座連接處采用焊接球，有效控制了主體結構使用的最大連接螺栓直徑，全網(wǎng)架所用最大螺栓型號為M56（9.8S）。棱臺網(wǎng)架鋼平臺為H 型鋼梁桁架及網(wǎng)架組合結構，鋼梁頂標高為46.000m，H型鋼梁上鋪厚5mm 的花紋鋼板（鋼板底設置角鋼加勁肋條L63×40×5@600），屋面鋪設厚4mm的薄鋼板防水。熟料庫棱臺及庫頂房網(wǎng)架綜合用鋼量約為65kg/m2（不含鋼平臺H型鋼梁體系）。

2 熟料庫鋼網(wǎng)架屋蓋結構的設計

2.1 熟料庫網(wǎng)架屋蓋結構設計改進的必要性

熟料庫棱臺鋼結構體系經(jīng)歷了從有中心筒到無中心筒，從桁架體系到網(wǎng)架體系的發(fā)展過程[2-3]，網(wǎng)架（殼）結構具有超靜定的特性，便于施工組裝，使得網(wǎng)架（殼）體系在熟料庫的建設中得到大量應用[4]。目前，熟料庫屋蓋庫頂房部分不僅有網(wǎng)架體系，也有輕鋼體系，由于庫頂房屬于次要的維護結構，其用鋼量少，設計成熟，方法簡單，可優(yōu)化空間不大。

常規(guī)熟料庫棱臺網(wǎng)架結構設計全部采用螺栓球節(jié)點，由于熟料庫所處的特殊工作環(huán)境（常年高溫，設備振動荷載）[5]，其支座附近需要用大直徑螺栓（M60~M85均有出現(xiàn)）抵抗環(huán)向水平內力。大螺栓施工時擰緊困難，假擰緊現(xiàn)象時有發(fā)生，存在非常大的安全隱患，從安全角度考慮，減小螺栓直徑、改進結構設計十分必要。

2.2 熟料庫鋼網(wǎng)架屋蓋結構改進的思路

大直徑熟料庫庫頂網(wǎng)架（直徑D≥60m）必須采用成品滑動支座或彈簧支座，以降低徑向支反力，從而降低對混凝土筒倉結構的影響，以控制或降低工程總造價。依以往經(jīng)驗初步分析，該項目單向滑動支座彈性剛度取6.0kN/mm，徑向支反力要求＜260kN，彈性滑動鑄鋼件支座允許的水平位移限值為±45mm，結構撓度控制在千分之一左右，以期正常使用極限狀態(tài)下的鋼平臺撓度小，為設備運行提供良好的工作條件[6]。

庫頂網(wǎng)架支座標高處，環(huán)向桿件通過焊接球連接（其直徑盡量控制為D≤500mm，球殼內設一道與球壁厚度相同的加勁肋），桿球（桿件及焊接球）連接處的焊縫質量控制等級為一級，必須進行100%超聲波探傷[7]；大螺栓施工困難，可靠性低，全網(wǎng)架結構最大螺栓直徑＜M60。焊接球為空心，由兩個半球對接組焊而成，其質量應滿足JGJ 7-2010《空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程》中5.2 的規(guī)定。熟料庫鋼網(wǎng)架屋蓋結構設計剖面圖如圖1所示。

圖1 熟料庫鋼結構設計剖面圖

2.3 栓焊（螺栓球與焊接球）結合的網(wǎng)架結構計算

（1）采用浙江大學MST軟件進行網(wǎng)架設計計算并繪制施工詳圖；采用同濟大學3D3S 軟件建立全鋼結構整體模型作復核分析，并驗算焊接球節(jié)點強度。棱臺網(wǎng)架基本控制參數(shù)為：拉壓桿長細比150，應力比0.90，鋼管采用Q235B 材質，起步斷面尺寸為?76mm×3.75mm，結構撓度＜65mm[8]。庫頂房網(wǎng)架基本控制參數(shù)為：拉壓桿長細比180，應力比0.93，鋼管采用Q235B 材質，起步斷面尺寸為?60mm×3.50mm，結構撓度＜35mm。

（2）項目所在地工況風荷載較大，必須全盤考慮風荷載對結構的影響[1]，經(jīng)3D3S 軟件計算，分析得出熟料庫鋼網(wǎng)架風荷載參數(shù)，如表1所示。

表1 熟料庫鋼網(wǎng)架風荷載參數(shù)

（3）項目所在地為高烈度地震區(qū)，按現(xiàn)行空間網(wǎng)格規(guī)程對網(wǎng)架（殼）進行豎向和水平抗震驗算[9]。模態(tài)分析得出，前4 階為平動振型，主振型周期0.45s，振型周期衰減慢；第5階出現(xiàn)扭轉振型，主振型周期0.31s。分析本網(wǎng)架（殼）時，取前25 個振型對其進行效應組合。熟料庫網(wǎng)架第1 振型、第2 振型、第5振型圖分別如圖2~圖4所示。

圖2 熟料庫網(wǎng)架第一振型（T=0.45s）

圖4 熟料庫網(wǎng)架第五振型（T=0.31s）

（4）設計比較分析，并驗算優(yōu)化桿件截面配置。第一步，對網(wǎng)架節(jié)點全部按照螺栓球節(jié)點設計，經(jīng)節(jié)點配件碰撞檢查，得出螺栓最大直徑為M64，螺栓球直徑D=220mm，M64 螺栓出現(xiàn)在支座環(huán)向桿件（拉應力為主），與類似跨度熟料庫網(wǎng)架常規(guī)設計結果基本一致。第二步，采取人工指定的方式指定支座環(huán)向桿件（D180mm×10mm），連接節(jié)點采用焊接球連接。經(jīng)設計驗算，需要WSR450-16 規(guī)格焊接球方能滿足最低要求，球殼內加勁肋板焊接空心球材質選用Q355B[10]。

（5）焊接球與螺栓球的不同主要在于：每個焊接球節(jié)點受力均需要驗算其性能是否能夠滿足規(guī)范要求，國產(chǎn)軟件如3D3S、MST等均能完成焊接球節(jié)點受力驗算工作，焊接球的質量必須符合現(xiàn)行行業(yè)標準的規(guī)定[11]。螺栓球一般選用優(yōu)質碳素結構鋼45號鋼[12]，強度較高，螺栓球節(jié)點經(jīng)驗算和實驗檢驗已形成規(guī)范，設計時只需根據(jù)節(jié)點幾何碰撞檢查選配螺栓球即可。螺栓球及其配件的質量必須符合現(xiàn)行行業(yè)標準的規(guī)定[13-14]。

（6）焊接球網(wǎng)架的優(yōu)勢在于焊接球節(jié)點氣密性及水密性好，加工制作工序避免了鉆孔對球體的二次損傷，其由兩個半球組拼焊接而成，施工安裝的關鍵點是控制焊縫質量和焊接殘余變形。

雖然焊接球節(jié)點的質量大于螺栓球及其配件，但其在加工工序上有較大優(yōu)勢，兩者各有所長，根據(jù)項目特點，螺栓球與焊接球結合將會產(chǎn)生較好的社會效益和經(jīng)濟效益。螺栓球與焊接球建筑信息模型對比如圖5所示。

圖5 螺栓球與焊接球建筑信息模型對比

3 熟料庫栓焊結合網(wǎng)架的施工安裝

圖3 熟料庫網(wǎng)架第二振型（T=0.41s）

栓焊節(jié)點混用網(wǎng)架施工與單一類型螺栓球或焊接球網(wǎng)架施工有較大的不同，需同時滿足螺栓球節(jié)點需要的安裝精度和焊接球節(jié)點需要的施工質量。依據(jù)住建部37 號令及31 號文和相關施工規(guī)范，項目部對此危大工程編制了專項施工方案，經(jīng)專家論證通過后實施。

3.1 支座環(huán)向焊接球桿件的安裝

棱臺網(wǎng)架結構主體施工的主要順序為：支座預埋件的交安，環(huán)向鋼管與焊接球的拼接（兩端與焊接球在地面組裝），焊接球（分為支座和非支座）的定位測量和焊接施工，豎向鋼管（一端有錐頭）的焊接固定，第二層環(huán)向桿（兩端螺栓球）的拼裝，徑向桿件的空中拼接，形成網(wǎng)架環(huán)體再逐步螺旋上升至拼裝合攏成型。

第一圈焊接球施工時，測量定位是關鍵，滑動支座臨時固定板件需完好無斷裂，待上部網(wǎng)架成型、剛度能保證時方可拆除。驗算需要時，可在混凝土庫壁設置化學螺栓，用鋼絲繩輔助結合首層網(wǎng)架施工球節(jié)點。環(huán)向焊接球桿件的安裝及其與螺栓球的對接如圖6所示。

圖6 環(huán)向焊接球桿件的安裝及其與螺栓球的對接

3.2 棱臺主體螺栓球網(wǎng)架的安裝

在網(wǎng)架逐步上升直至鋼平臺合攏的過程中，需對網(wǎng)架變形情況進行實時監(jiān)測[15-16]，將設備監(jiān)測的動態(tài)數(shù)據(jù)與施工過程驗算的數(shù)據(jù)進行對比，若二者之差超出合理范圍，則必須暫停施工，待問題解決后再行施工。本項目利用3D3S 軟件計算施工步，采取模型逆推拆除的方式，計算每一施工步的結果，再反向編制進施工方案。

空間網(wǎng)格結構體系（網(wǎng)架網(wǎng)殼）具有超靜定的力學特性，剛度大，變形微小，在僅有自重并無其他荷載的情況下，基本不會出現(xiàn)螺栓無法安裝的情況。設計合理的網(wǎng)架結構能夠使施工更加安全穩(wěn)定，如果設計時一味追求經(jīng)濟用鋼量（如受拉桿件長徑比僅按規(guī)范規(guī)定取300），則極有可能在施工時出現(xiàn)問題，反而會增加施工成本。空間網(wǎng)架（殼）施工工況復雜，設計拉桿變成壓桿的現(xiàn)象時有發(fā)生。栓焊結合網(wǎng)架（殼）結構施工作業(yè)具有一定的挑戰(zhàn)性，焊接定位稍有不慎，則達不到應有的安裝精度，易導致螺栓球網(wǎng)架無法拼裝，最終導致項目失敗。

項目螺栓球安裝采取1個節(jié)點球與3根圓管桿件地面組拼成小單元，吊車將該小單元吊裝到空中總裝位置，由施工人員擰緊螺栓安裝就位，以此類推向上推進施工。一般情況下，使用小噸位吊車或工地塔吊即可滿足安裝要求，使用小噸位吊裝設備靈活方便，施工費用低且組裝速度快。網(wǎng)架螺栓球節(jié)點小單元螺旋式上升拼裝如圖7所示。

圖7 熟料庫網(wǎng)架螺栓球節(jié)點小單元螺旋式上升拼裝

3.3 網(wǎng)架施工的完成

棱臺網(wǎng)架施工完畢后，在平臺面焊接專用鋼支托，安置H 型鋼梁并沿環(huán)梁滿鋪花紋鋼板（設備預埋及洞口處除外），待拉鏈機廊道及收塵器等工藝設備安裝完畢后，施工庫頂房屋蓋。

因庫頂房設置有5t檢修葫蘆（軌道為工字鋼工32a-Q235B），庫頂房采用網(wǎng)架體系結構比輕鋼體系結構整體性更好，安全穩(wěn)定性更高。棱臺屋面采用槽鋼檁條（主次檁）上鋪扇形鋼板，采用鋼板屋面的主要目的是防水抑塵，薄鋼板焊接屋面能形成良好的封閉維護系統(tǒng)。常規(guī)的彩鋼瓦屋面容易漏灰，加上南方雨水多，搭接位置膠布條因安裝不到位或經(jīng)數(shù)年老化后，極易形成漏水點，且不易檢修。鋼板屋面要求連接焊縫平順，不能出現(xiàn)裂縫或少焊漏焊情況，對已完成的焊接板面需涂刷油漆防腐，面漆的顏色由業(yè)主或建筑專業(yè)設計人員指定。熟料庫棱臺網(wǎng)架施工焊接扇形鋼板如圖8所示。

圖8 熟料庫棱臺網(wǎng)架施工焊接扇形鋼板

4 結語

該項目設計方案創(chuàng)新性使用了栓焊結合網(wǎng)架熟料庫棱臺結構體系，提高了結構關鍵桿件節(jié)點的可靠性。栓焊結合網(wǎng)架用于大跨度熟料庫時應注意以下幾點：

（1）應使用計算軟件對焊接空心球節(jié)點進行力學計算，并用實驗對其進行驗證，確保滿足相關規(guī)范要求，螺栓球網(wǎng)架和焊接球網(wǎng)架設計說明中，應包括具體的技術參數(shù)控制要求。

（2）栓焊結合網(wǎng)架施工方案的制定，需結合結構形式和場地條件，栓焊結合網(wǎng)架改變了單一類型球節(jié)點網(wǎng)架的施工模式，項目部應綜合考慮栓接和焊接的先后順序，準確把握施工主次，確保安裝精度。本項目采取先焊接球再螺栓球的施工順序，工序簡單，安裝精度能夠滿足施工方案設定的目標和相關規(guī)范要求。科學監(jiān)測能夠有效指導施工，對鋼結構（尤其是大跨度網(wǎng)架），進行施工時的動態(tài)監(jiān)測是十分必要的。

（3）分別設計庫頂房和棱臺網(wǎng)架參數(shù)，既能節(jié)約鋼材，也能達到結構主體剛度合理分布的目的。棱臺面展開后為扇形，波形彩鋼瓦難以實現(xiàn)抑塵防雨目的，本項目采用薄鋼板并按扇形下料，進行現(xiàn)場焊接，施工效果好。