雙層螺栓球網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實例研究分析

文/李育薇 蘇州科技學(xué)院 江蘇蘇州 215009

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雙層螺栓球網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實例研究分析

文/李育薇 蘇州科技學(xué)院 江蘇蘇州 215009

【摘要】網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)因其優(yōu)美的造型設(shè)計和廣泛的運用，成為近年來發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)之一，本文以浙江國華寧海電廠煤倉大跨度空間螺栓球網(wǎng)殼穹頂設(shè)計與施工為例，結(jié)合工程的具體情況，闡述其設(shè)計與安裝原理。結(jié)果表明：該施工方法降低工程造價、縮短工期和保障施工質(zhì)量，增強(qiáng)市場競爭力，具有良好經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】螺栓球結(jié)構(gòu)；設(shè)計原理；應(yīng)用實例；施工方案

一、工程概況

寧海電廠煤倉穹頂采用雙層螺栓球節(jié)點球殼，半徑68.349m。球殼跨度129.63m，水平投影面積13194m2。網(wǎng)架矢高42.98m，球殼厚度2.0m，支承形式為下弦柱點支承?？紤]上弦恒荷載0.20kN/m2，下弦懸掛荷載為60m直徑沿環(huán)向2kN/m,活荷載0.5 kN/m2，基本風(fēng)壓：0.6 kN/m2。徑向位移40mm。

二、設(shè)計原理

在選擇結(jié)構(gòu)的類型時，應(yīng)該綜合考慮結(jié)構(gòu)的受力性能和經(jīng)濟(jì)性能，結(jié)構(gòu)的平面形狀尺寸、結(jié)構(gòu)的矢高、邊界支承條件等因素。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)要求簡潔，傳力均勻、明確。

首先通過計算求出結(jié)構(gòu)承受的主要荷載情況、荷載大小、選擇合適的荷載組合，對于電廠煤倉這樣大跨度的空間結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載在計算中不可忽視。利用哈爾濱工業(yè)大學(xué)的STACAD網(wǎng)架設(shè)計工程軟件，進(jìn)行網(wǎng)殼計算及施工圖繪制。恒荷載取0.20 kN/m2，作用在上弦節(jié)點上。風(fēng)荷載是該工程中的重要荷載之一，風(fēng)荷載體型系數(shù)的選取很重要，根據(jù)荷載規(guī)范和類似工程的風(fēng)洞試驗結(jié)果可以選取適合的體型系數(shù)。

該工程采用的雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，是由兩個同心或不同心的單層網(wǎng)殼通過斜腹桿連接而成的。網(wǎng)殼采用四角錐網(wǎng)格，平均桿長3.5米，球殼厚度2.0m，總噸位510.3噸。

邊界條件假定在結(jié)構(gòu)計算尤為重要，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對邊界條件的要求較高。該工程中，為考慮網(wǎng)殼和扶壁柱的協(xié)同工作，將扶壁柱作為網(wǎng)殼彈性支承。為此，將網(wǎng)殼離散為空間桿單元，扶壁柱作為空間梁單元，扶壁柱在標(biāo)高±0.0處嵌固，對網(wǎng)殼和扶壁柱進(jìn)行整體計算分析。支座節(jié)點的設(shè)計與支承條件的假定是大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的技術(shù)重點。支座節(jié)點的構(gòu)造設(shè)計要符合結(jié)構(gòu)設(shè)計中的計算假定結(jié)果，即程序中結(jié)構(gòu)支座剛度符合實際剛度。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的支座節(jié)點在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中起重要作用,它連接了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)邊界條件假定的重要方法。該工程中，對網(wǎng)殼的36個支座解放其水平約束，單獨計算網(wǎng)殼。將網(wǎng)殼的36個支座設(shè)計成不動鉸支座，單獨計算網(wǎng)殼。結(jié)合以上情況進(jìn)行組合，求出網(wǎng)殼的最不利內(nèi)力。網(wǎng)殼支座采用平板支座，平板底座與柱頂混凝土埋件焊牢使其沒有相對位移。

網(wǎng)架的節(jié)點構(gòu)造應(yīng)滿足：（1）受力均勻合理，傳力明確；（2）確保桿件交于一點，不產(chǎn)生額外彎矩；（3）構(gòu)造簡潔，制作安裝方便，節(jié)約鋼材；（4）減少難于檢查、清潔、涂漆和容易積灰的死角。國內(nèi)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主要分為：焊接球節(jié)點網(wǎng)架和螺栓球節(jié)點網(wǎng)架兩種。本工程使用的螺栓球節(jié)點由鋼球、螺栓、套筒、螺釘和錐頭等零件組成，每根端部帶有螺栓，擰入球內(nèi)形成螺栓球節(jié)點網(wǎng)架。螺栓球節(jié)點網(wǎng)架具有跨度大、重量輕、整體性好、抗震性好等優(yōu)點，造價也相應(yīng)低廉，并且由于基本上沒有焊接節(jié)點，安裝速度相當(dāng)快，能在很短的時間內(nèi)完成工程施工，適用于現(xiàn)場工期時間短，施工條件簡單、用電量受到制約、網(wǎng)架形狀復(fù)雜、桿件定位困難的形狀奇異的結(jié)構(gòu)。鋼球尺寸受相鄰桿件的夾角小、螺栓的直徑和螺栓伸入球體的深度等因素影響。該工程螺栓球采用D130，D150，D180，D200，D250規(guī)格，重量47.4噸，材料為緊定螺釘。

三、施工方案

對于電廠煤倉來說，面積比較大，相應(yīng)重量也較大，不利于地面拼裝。螺栓球常用的方法是滿堂紅腳手架高空散裝法，這種方法相對簡單、便于操作，對于大型起重設(shè)施要求低，對現(xiàn)場條件和人員要求也不高，幾乎用于各種形狀的網(wǎng)殼的安裝，高空散裝法一般要求在施工區(qū)域下方搭設(shè)滿堂紅腳手架，在腳手架上滿鋪腳手板形成一個工作平臺，施工人員在平臺上完成安裝作業(yè)，由于網(wǎng)架面積較大，腳手架需求量多，租賃、搭設(shè)和拆除費用較高。此外，搭設(shè)、拆除腳手架工期也較長，影響工程進(jìn)度，不能體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，所以這個方法并不理想。因此，該工程根據(jù)起重設(shè)備的機(jī)械性能、安裝高度、現(xiàn)場條件等情況進(jìn)行多種方案的對比，最后采用不使用腳手架的“分條分塊微型吊具高空散裝法”。

該方法分兩個階段進(jìn)行：第一階段為分條分塊安裝法，分條分塊安裝法是高空散裝法的組合擴(kuò)大，根據(jù)起重設(shè)施的機(jī)械性能、安裝高度、現(xiàn)場條件等因素，將網(wǎng)架劃分為若干個單元，條狀單元一般沿長跨方向分割，其寬度約為1-3個網(wǎng)格，塊狀單元一般沿網(wǎng)架平面縱橫向分割成矩形或正方形單元。在地面上拼裝成條狀或塊狀擴(kuò)展組合成單元體后，用起重機(jī)、千斤頂?shù)却怪钡跎蛱嵘皆O(shè)計位置，臨時固定后，進(jìn)行條塊間的連接與調(diào)整。由于結(jié)構(gòu)為半球型，底部環(huán)形網(wǎng)格等分為12份，每一條塊跨越三個支座，外層高兩個網(wǎng)格。第二個階段為微型吊具高空散裝法。在地面上將網(wǎng)架拼成許多小單元，利用吊車或安裝在網(wǎng)架上的微型吊具，吊到設(shè)計的位置，由高空作業(yè)人員完成節(jié)點的連接。

施工工藝流程：制作—運輸—現(xiàn)場驗收—分塊組裝—測量尺寸—分塊吊裝—條塊之間連接—復(fù)核尺寸、校正調(diào)整—地面拼裝小單元—微型吊具高空散裝—防火漆涂裝—竣工交驗。

此方法的特點是大部分焊接、拼裝工作在地面進(jìn)行，有利于保障工程質(zhì)量，不需要較多拼裝支架，有利于節(jié)省成本和搭建、拆除腳手架的時間，有利于縮短工期。但是分條分塊安裝法仍有一定的高空作業(yè)量，對作業(yè)人員技術(shù)、經(jīng)驗要求高。安裝過程中需要控制安裝偏差，如果偏差過大，超出設(shè)計、規(guī)范的允許范圍，就會影響施工質(zhì)量和安裝速度。所以應(yīng)不定時隨機(jī)抽查節(jié)點，測量其水平偏差及撓度值，一旦發(fā)現(xiàn)問題，及時采取措施整改。在網(wǎng)架安裝時，確保每根桿件的高強(qiáng)螺栓擰緊，尤其是安裝懸挑部分的網(wǎng)架，防止懸挑部分的網(wǎng)架由于自重，高強(qiáng)螺栓未擰緊使套筒端面與螺栓球上螺孔端面產(chǎn)生間隙，從而懸挑部分的網(wǎng)架產(chǎn)生較大的撓度變形。為了保證高強(qiáng)螺栓擰緊，當(dāng)起重設(shè)備把地面上拼裝完成的小單元起吊到高空設(shè)計位置時，必須在高強(qiáng)螺栓擰緊后松開吊鉤。