蚕茧形大跨度煤棚钢结构施工技术

随着我国科学技术的发展，一些大跨度钢结构施工技术在既有施工工艺中得到不断更新，在许多体育馆和煤棚等建筑结构中得到广泛应用。考虑到大跨度空间钢结构的构件独特性、造型新颖性和施工复杂性等多重因素，使得实际施工通常面临较多困难，施工安全和结构质量难以得到保障。为有效解决现场施工难题，许多学者采用施工工序的计算模拟和施工变形控制相结合的方法，对大跨度钢结构施工技术提出了新的施工要求。

以某电厂干煤棚的蚕茧形网架工程为例，采用对称分块拼装结合高空散装的施工方法。考虑双条形平行网架对风荷载比较敏感，采用有限元软件Fluent计算不同风向角下煤棚结构表面的风荷载体型系数。在网架施工及构件吊装过程中，采用3D3S软件对结构变形和杆件受力进行了分析，使得超应力杆件和超超长细比均为零。通过网架的风荷载及结构受力计算确保了网架临时支撑和设计支撑体系相符，为现场网架施工提供了质量安全保障。

1 工程概况

本工程位于内蒙古锡林浩特市境内，厂址位于锡林浩特市西乌珠穆泌旗的五间房矿区西一矿南侧处。本期工程贮煤设施共规划2个条形封闭煤场，2座煤棚网架采用蚕茧形状，网壳上铺彩色涂层钢板，如图1所示。条形网架由中间筒壳部分及端部球壳部分组成，为正放四角锥螺栓球节点球壳网架结构。

   

图1 茧蚕形网架全貌

钢网架结构由网架上弦、网架下弦及上下弦之间支撑相互组合支撑固定而成，其中网架上弦、下弦均由网架杆、网架球、高强螺栓、锥头、套筒、销钉连接组合而成。网架采用周边下弦支座支撑，支座间距8m，网架跨度约103m，纵向长度约290m，高40m，其平面示意如图2所示。

   

图2 网架平面位置示意

2 网架安装方案

2.1 安装方法

目前大跨空间钢结构的安装方法通常分为高空散装法、分块吊装法、整体吊装法、整体提升法、攀达弯顶法等。针对本工程的双蚕茧形网架跨度大、高度高及施工作业空间有限等施工条件，对多种施工方案进行对比验证，决定采用“对称分块拼装结合高空散装”的施工方法。

网架整体施工方案先从轴东侧圆弧范围内，采用地面分块拼装、高空对接合龙拼装完第一个稳定的结构单元（即起步网架），再沿着轴至伸缩缝方向按小单元起重机高空散装法完成整体吊装。

2.2 拼装单元

2.2.1 螺栓球节点网架拼装工艺

起步单元进行试安装（图3），以确保分块吊装时上弦支座底板孔和锚栓不碰撞。确定安装支座位置，找准球孔位置，分别对接2根腹杆，再安装另1根上弦杆，后安装下弦杆和下弦球。起步单元网架形成后，严格控制网架支座的允许偏移误差。

   

图3 起步网架拼装单元

2.2.2 起步网架安装施工工艺

施工顺序总体由煤场端部球壳部分向伸缩缝方向，待东侧弧形网架形成稳定单元，以中间位置起，向两侧逐次安装。

通过布设关键位移控制点与空间位置调整措施，确保网架结构的内力分布与分析模型保持一致。

3 端部球壳的施工顺序及结构验算

3.1 风荷载体型系数取值

该蚕茧形煤棚为空间平行网架结构，此种结构一般对风荷载比较敏感，而风荷载取值在目前荷载规范中没有对应的准确条款。

为了使设计时对煤棚的风荷载有较准确的把握，提高结构的抗风能力，参照相关文献的研究成果，有必要对其风荷载取值进行研究。

本研究主要采用计算流体力学CFD方法（Fluent 6.1），确定煤棚结构表面的风荷载体型系数。考虑结构的双向对称性，取0°到90°风向角，每隔30°为一个风向角，如图4所示。

   

图4 风向角示意

Fluent软件能精确地模拟无粘流、层流、湍流，湍流模型的选取关系到数值模拟结果的准确性和精 度，因此，在该模型中选取Realizable k–ε湍流模型。

模型中来流中的风速剖面按照实际地貌类型进行模拟，得到的平均压力系数值包含了大气边界层高度变化的影响（即平均压力系数值等于平均压力系数与高度变化系数的乘积）。计算结果的体型系数与建筑结构荷载规范保持一致。

图5给出了0°工况下的煤棚表面风压计算结果，煤棚外形为双向对称，其中0°和90°风向的计算结果相一致。

   

图5 体型系数分布图（工况一：0°）

以工况一为例：0°风向时半球状部分迎风，迎风受压区体型系数在0.8左右，向顶部由正压变为负压控制；半球与弧线屋盖交界处附近体型系数约为–0.6，由于2个煤棚较接近，因此2个煤棚端部相邻区域处负压较大，体型系数超过–1.0；0°风向角下，煤棚大部分区域处于尾流区，体型系数在–0.4~–0.2；尾部区域半球区，由于流动再分离及再附，再次出现体型系数–0.6左右负压区。

顶部通风天窗受到的风吸力较大，部分区域体型系数可达–1.4以上，建议通风天窗顶部体型系数取–1.5。

3.2 施工顺序及结构验算

本工程施工区域分为筒壳和球壳2部分，施工顺序总体由端部球壳部分向伸缩缝方向，施工采用高空散装法。采用3D3S软件对网架结构验算，因网架计算是以屋面板完工后的状态作为依据，而网架吊装阶段围护结构尚未安装，因而在荷载组合时风荷载分别按10?%的比例进行荷载组合。

第1步，施工时将网架端部分为2个单元在地面拼装，然后用2台起重机分别将2个分块单元吊装到位后对接，在松钩前将缆风绳固定稳妥（图6）。

   

图6 吊装单元网架示意

由计算结果可知：缆风绳固定点的最大水平反力为10.6?kN，缆风绳与水平面的最大夹角按照45°考虑，则缆风绳需承受的拉力为 P =15.0kN。

查阅钢丝绳技术指标可得6×37mm、12mm，抗拉强度为1570 N/mm ² 纤维芯钢丝绳，其破断拉力总和 G =74.6kN；修正系数0.82，取安全系数 K =3.5。则17.5kN＞15.0kN（设计轴力），故缆风绳采用2t手拉葫芦固定即可。

第2步，由中间向两侧扩展，共4个上弦节点和3个下弦节点，施工顺序如图7所示。

   

图7 球壳网架拼装第2步示意

通过对不同阶段拼装网架进行杆件内力计算，一共分为8个工况；各工况下杆件应力及支点位移均在设计值范围以内，其中杆件最大内力38.4kN，最小内力为–48.4kN；超应力杆数和超长细比杆数 均为零。

第3步，逐层由中间向两侧扩展，但每层比下一层缩进1~2个网格，安装到上弦节点和下弦节点均为14层为止。在按照由内而外、从下至上的安装顺序，如图8所示。

   

图8 球壳网架拼装第3步示意

施工模拟结果显示：杆最大内力18.1kN，最小 内力为–101kN，杆件内力及拼装结构位移均在设计值范围内。

第4步施工如图9所示，本步骤增加1列下弦球，因杆件应力较大，建议提前用起重机在图示位置增加2个吊点作为防护措施，控制起重机的起重量不超过3?t，以防止局部杆件超应力。

   

图9 球壳网架吊点增设位置

第5步，逐层由中间向两侧扩展，逐列由下往上安装，在顶部合龙安装，到球壳部分完成为止。

施工模拟结果显示：杆最大内力103.7kN，最小内力为–151.5kN，杆件内力及拼装结构位移均在设计值范围内。

4 大部网架安装施工要点

大部网架高空散装如图10所示。安装施工要点如下。

   

图10 大部网架高空散装示意

（1）大部网架的拼装采用25t起重机配合安装，施工人员做到“随装随查”，严格控制拼装精度及偏差在设计要求范围内。

（2）对接时需要配备3名高空作业人员，吊装前，可将钢爬梯固定于网架下弦供作业人员上下。

（3）起吊小单元时，着力点必须在螺栓球正中部位。在对接过程中，高强度螺栓拧入螺栓球内的螺纹长度不应小于1.0d （ d 为螺栓直径）。

（4）网架的筒壳部分安装结束后，再进行端部球壳的安装。球壳安装从筒壳出发，同时向中间合龙，底部4个上弦球和4个下弦球应同时往前推进，以便安全跨越门洞区域；此后可逐排顺环向安装，在斗轮机轨道上空合龙。

5 结论

（1）采用有限元软件Fluent分析了不同风向角下煤棚结构表面的风荷载体型系数，最不利工况为平行于煤棚下的风向，即风向角为0°。

（2）通过对茧蚕形煤棚网架进行CFD计算，结合最不利工况结果，建议：迎风受压区风荷载体型系数取0.8左右，向顶部由正压变为负压控制通风天窗顶部体型系数取–1.5；半球与弧线屋盖交界处附近体型系数约为–0.6。

（3）通过网架结构验算，杆件应力及位移均在设计值范围以内，表明施工顺序合理，可为类似工程提供参考。