超大跨距鋼結(jié)構(gòu)散貨堆場(chǎng)罩棚安裝方案比選

徐軍

（中交機(jī)電工程局有限公司，北京 100088）

1 工程簡(jiǎn)介

該工程為在非洲實(shí)施的礦石碼頭工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，其中1個(gè)子項(xiàng)工程是在港口堆場(chǎng)上建設(shè)一座超大跨距條形鋼結(jié)構(gòu)料倉(cāng)。該料倉(cāng)為鋼結(jié)構(gòu)罩棚，高56 m，單跨跨度162 m，長(zhǎng)約420 m，總面積約6.8萬(wàn)m2。該罩棚工程是整個(gè)工程中的關(guān)鍵子項(xiàng)，具體難點(diǎn)和問(wèn)題有：

1）該罩棚使用球柱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其跨度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了國(guó)內(nèi)規(guī)范[1-4]中關(guān)于大跨鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的限值，是目前國(guó)內(nèi)類似項(xiàng)目能查閱到的最大跨度，需要從荷載、結(jié)構(gòu)選型及施工安裝等多方面進(jìn)行論證與研究。

2）超大跨距結(jié)構(gòu)很難進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝，而且國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)很少。據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)尚無(wú)跨度超過(guò)150 m的球柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)，而且國(guó)內(nèi)安裝100 m以上跨距鋼結(jié)構(gòu)的施工經(jīng)驗(yàn)很少。

3）罩棚需要建設(shè)在既有堆場(chǎng)上，堆場(chǎng)配有堆取料機(jī)，堆場(chǎng)和機(jī)械設(shè)備已投產(chǎn)，業(yè)主要求罩棚建設(shè)不能對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)產(chǎn)生過(guò)大影響。

4）本項(xiàng)目位于非洲西部，當(dāng)?shù)厥┕l件（如訓(xùn)練有素的勞動(dòng)力、建筑材料和施工機(jī)械）都非常有限。

5）項(xiàng)目業(yè)主是西方公司，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的ESH要求很高[5-6]。國(guó)內(nèi)類似工程往往采用高空直接拼裝方案，這需要大量起重設(shè)備和有經(jīng)驗(yàn)的高空作業(yè)工人，造成ESH方案不能完全符合西方業(yè)主的要求。

由于不同的施工方案不僅會(huì)影響施工工期和項(xiàng)目成本，而且會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)方案的選用產(chǎn)生重大影響，因此研究該罩棚的現(xiàn)場(chǎng)施工方案就成為在設(shè)計(jì)階段必須完成的任務(wù)。

本項(xiàng)目料場(chǎng)罩棚所需跨度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)類似的國(guó)內(nèi)已有大跨度工程項(xiàng)目[7]。施工方案的合理性與設(shè)計(jì)方案同樣重要，具體到本項(xiàng)目，施工過(guò)程的工況甚至?xí)蔀榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制工況。因此施工方案與設(shè)計(jì)方案一并進(jìn)行研究并進(jìn)行綜合比較論證。

2 施工方案比較

設(shè)計(jì)提出的擬建罩棚截面為三中心橢圓柱殼體，擬采用的結(jié)構(gòu)形式是空間網(wǎng)殼，用螺栓球網(wǎng)架體系構(gòu)建。總長(zhǎng)410 m，厚6 m，豎立50 m，跨度162m，如圖1所示。

圖1 料場(chǎng)罩棚截面Fig.1 Section of stockyard cover shed

2.1 方案一

可移動(dòng)腳手架方案。

該方案的主要想法是搭建獨(dú)立工作的可移動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)（腳手架），用該平臺(tái)形成施工面并作為罩棚的“胎具”。鋼平臺(tái)外觀與罩棚類似，外側(cè)空間靠近棚內(nèi)側(cè)，且結(jié)構(gòu)也采用螺栓球網(wǎng)架。平臺(tái)由位于跨兩端的臺(tái)車和設(shè)于跨中兩根支柱（帶臺(tái)車）支撐。兩個(gè)支柱位置擬分別設(shè)在既有堆料機(jī)和取料機(jī)軌道上，利用現(xiàn)有軌道作為平臺(tái)的移動(dòng)支撐，見(jiàn)圖2。平臺(tái)總重大約250 t，沿著罩棚深度寬20m。

圖2 可移動(dòng)腳手架截面Fig.2 Section ofmovablescaffold

選用螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)搭建腳手架平臺(tái)主要為了便于構(gòu)件運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)組裝?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)可利用的起重機(jī)條件，腳手架自身安裝的最大起吊單元重量控制在30 t以內(nèi)。

當(dāng)罩棚進(jìn)行安裝時(shí)，移動(dòng)腳手架平臺(tái)由幾組系泊鏈固定。當(dāng)腳手架位置罩棚部件包括網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、檁條和屋面覆層的安裝全部完成后，將平臺(tái)用絞車沿軌道方向拖動(dòng)到下一個(gè)安裝位置。按照預(yù)定安裝順序，腳手架平臺(tái)逐段滑動(dòng)，直到罩棚完成。

本方案充分利用了料場(chǎng)上的現(xiàn)有軌道結(jié)構(gòu)。罩棚裝配所需的起重條件較低，不使用重型吊車。罩棚裝配工作可利用腳手架平臺(tái)形成的空中工作面進(jìn)行，施工人員的通道、個(gè)人防護(hù)設(shè)備依托移動(dòng)腳手架。本方案裝配工作比其他方案相對(duì)容易，并且在偏差控制、質(zhì)量控制和安全保障方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。此外，本方案占用空間更少，能充分利用料場(chǎng)貯存項(xiàng)目所用建筑材料、施工機(jī)械和設(shè)備，而缺點(diǎn)是工作面有限，如需搶工期，只能增加平臺(tái)寬度來(lái)增加工作面，因此會(huì)增加成本。

2.2 方案二

使用桅桿起重機(jī)進(jìn)行整體吊裝。

該方案需在設(shè)計(jì)中增強(qiáng)罩棚結(jié)構(gòu)整體剛度。方案總體思路是：將罩棚沿縱向分段為幾個(gè)裝配件，數(shù)個(gè)桅桿起重機(jī)分別吊裝各個(gè)部件。

具體安裝實(shí)施方案：

1）靠近棚支架的組裝件可不使用腳手架在空中裝配。

2）跨徑中間部分低于7m高的吊裝裝配件可在地面裝配。

3） 每個(gè)吊裝部件重量約為800 t，長(zhǎng)96m。

4）一些拼接件可在空中組裝，屋檁條及罩棚圍護(hù)板部件可同時(shí)安裝。

5）使用2×8組桅桿起重機(jī)吊裝部件。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：大多數(shù)組裝工作在地面完成，無(wú)需大量起重設(shè)備工時(shí)，對(duì)大型吊裝機(jī)械的需求也較少，而且起吊總提升距離短，拼接件最少，空中作業(yè)時(shí)間短，進(jìn)而安全性較好。缺點(diǎn)是：需要設(shè)置臨時(shí)地面組裝平臺(tái)用于分片網(wǎng)架的拼裝，由于起重量大，而且安裝作業(yè)對(duì)桅桿起重機(jī)的不均勻沉降非常敏感，因此要求桅桿起重機(jī)基礎(chǔ)的承載力大，需要特殊處理。另外，吊裝時(shí)安裝荷載較大，為控制變形，要求桁架的整體剛度增強(qiáng)，主體結(jié)構(gòu)成本比其它方案稍高。吊裝作業(yè)見(jiàn)圖3。

2.3 方案三

使用桅桿起重機(jī)進(jìn)行分段吊裝。

該方案也是用桅桿起重機(jī)進(jìn)行吊裝，但分段比前一方案小，且吊裝分步進(jìn)行，起重機(jī)數(shù)量和起吊點(diǎn)位置也隨著吊裝量增加而增加。

圖3 在地面上組裝空間桁架Fig.3 Space trussassembly on theground

具體方案是：網(wǎng)架按分段在地面進(jìn)行組裝。將網(wǎng)架沿堆場(chǎng)縱向分成若干裝配件。為每個(gè)裝配件建立4組桅桿起重機(jī)，將裝配件分成段，每次吊裝2組桁架或1個(gè)空間桁架（寬19.2 m，共4段）。吊裝作業(yè)貫穿整個(gè)安裝過(guò)程。每次吊裝桁架段時(shí)，裝配接口和連接作用在地面完成，無(wú)需使用任何地面平臺(tái)。分段吊裝部件到位后，最后安裝地面支架。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是：大多數(shù)組裝工作在地面完成，無(wú)需任何平臺(tái)。吊裝重量為260 t，對(duì)起重機(jī)基礎(chǔ)要求較低。缺點(diǎn)是：吊裝貫穿整個(gè)施工過(guò)程，即全過(guò)程中構(gòu)件均處于起吊狀態(tài)。這是因?yàn)檠b配件的橫向剛性相對(duì)較弱，安裝期內(nèi)的抗風(fēng)壓能力有限，整個(gè)安裝過(guò)程中的安全保障措施要求高。此外，由于有很多拼接件需要在空中制作，受自然條件影響較大，工期保證性較差。吊裝作業(yè)如圖4所示。

圖4 分段吊裝第三階段Fig.4 The third stageofsegmentalhoisting

3 推薦的施工方案

上述方案均考慮了現(xiàn)場(chǎng)的自然條件和資源支撐條件，根據(jù)現(xiàn)階段的資料分析和經(jīng)驗(yàn)判斷，均可行。本工程是在國(guó)外實(shí)施的具有技術(shù)難度的大型結(jié)構(gòu)工程，設(shè)計(jì)階段應(yīng)更加側(cè)重方案的安全性、可靠性。

對(duì)比上述3個(gè)方案，方案一的單件起重量最低，且作業(yè)時(shí)有空間腳手架依托，盡管空中作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，但安全措施較容易實(shí)現(xiàn)。另外，方案一的小分段安裝方式與國(guó)內(nèi)同類工程所采用的方式相類似，但國(guó)內(nèi)工程往往用網(wǎng)殼自身結(jié)構(gòu)作為腳手架，遠(yuǎn)不如本方案安全和便利。因此國(guó)內(nèi)安裝隊(duì)伍對(duì)方案一的工法較熟悉。這樣工程的安全控制、進(jìn)度控制均較好，而且方案一充分利用了現(xiàn)場(chǎng)已有軌道，節(jié)省了額外的基礎(chǔ)投資。

方案二、三需要大起重量的起重作業(yè)，對(duì)作業(yè)條件和操作者的要求高，工程風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大。而且大片網(wǎng)架構(gòu)件吊裝和卸載過(guò)程產(chǎn)生的空間變形和額外安裝應(yīng)力在現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中處理難度很高。方案三全過(guò)程構(gòu)件在空中處于起吊狀態(tài)，這就要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自然條件、生產(chǎn)隔離措施、設(shè)備狀態(tài)、操作者經(jīng)驗(yàn)和工作狀態(tài)等嚴(yán)格掌控，現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)程度較高。另外，針對(duì)方案二、三，設(shè)計(jì)時(shí)需額外考慮較大的吊裝荷載，結(jié)構(gòu)本身需要額外加強(qiáng)，這樣成本會(huì)有相應(yīng)增加。

通過(guò)上述各方案在安全保障和施工難度、成本、進(jìn)度控制的比較，在最終設(shè)計(jì)方案選定時(shí)建議使用可移動(dòng)腳手架方案作為首選施工方案并以此作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)條件。

本工程目前正處于施工準(zhǔn)備階段，現(xiàn)場(chǎng)施工組織設(shè)計(jì)按照推薦方案進(jìn)行。

參考文件：

[1]GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB 50011—2010，Code for seismic design ofbuildings[S].

[2]GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].GB 50009—2012,Load code for thedesign ofbuildingstructures[S].

[3]GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB 50017—2003,Code for design ofsteelstructures[S].

[4]JGJ7—2010，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].JGJ7—2010,Technicalspecification for space frame structures[S].

[5]EN 1991-1-4 ：2005，Eurocode1：Actionson structures[S].

[6] EN 1993-1-5 ：2005，Eurocode3：Design ofsteelstructures[S].

[7] 羅堯治.大跨度儲(chǔ)煤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.LUO Yao-zhi.Design and construction of big span structure for coalstorage[M].Beijing：China Electric Power Press,2007.