某超长大跨网壳干煤棚顶升方案研究

第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义
近十余年来，国家对环保事业的不断加大投入，储煤结构也越来越受到重视，我国在干煤棚施工技术方面的研究日益深入。近几年，随着技术进步和基础设施建设的推进，大型钢结构工程项目越来越多，其规模也越来越大，结构形式和建造方法也越来越新颖。规模大、建造形式多样等特点给钢结构的吊装安全施工也带来了新的挑战。钢结构吊装施工过程中，因结构失稳而导致的构建损坏等安全事故已成为钢结构施工的一大难点。超长大跨网壳干煤棚一般采用分块施工，网壳单元的划分与空中合拢是网壳安装的关键技术。
由于网壳干煤棚的结构设计是基于使用阶段的模型进行设计的，施工阶段网壳干煤棚的受力状态与静力状态下的受力有很大区别。对于网壳不同的施工过程是通过施加施工荷载进行考虑，施工过程中杆件受力的连续性并没有进行分析，这将会对网壳干煤棚结构造成一定的安全隐患。目前施工分析方法比较零散，缺乏系统有效地分析理论。施工建造理论方面的规范还不完善，缺少指导性的文件。
大跨度网壳干煤棚刚度小，水平推力大，杆件截面尺寸相对较小，温度对网架变形影响很大，施工难度很大。为防止杆件出现屈曲变形，从而确定合适的施工方案。因此，超长大跨网壳干煤棚需要用软件对网壳干煤棚施工过程进行模拟验算。

1.2 国内外大跨度网壳干煤棚研究现状
1.2.1 网壳干煤棚的国外研究现状
第一次工业革命以来，人类工业得到了迅猛的发展，煤炭资源作为工业发展的主要动力来源之一，再人们生产和生活中的地位日益变得举足轻重，因此，储煤的结构形式自然也受到人们广泛的关注。从平面结构到空间结构、从最初的露天储煤到现在的封闭储煤，储煤的结构形式在不断地发展和进步。
最原始的储煤方式是露天储煤。追溯到上世纪初，在一些工业发展迅速的国家，许多露天储煤厂沿铁路线两侧分布，例如美国宾西法尼亚州的奥托车站储煤场，它始建于上世纪初，年储煤量达到36万吨。然而由于这种露天的储煤结构无法封闭煤炭颗粒，也无法保证煤炭不受恶劣天气的影响，这给煤场周围环境污染和煤的质量造成很大影响，所以露天的储煤方式远远不如封闭式储煤科学合理。
随着工业革命的进一步发展，社会对电力的需求日益增加，19世纪80年代的时候，著名科学家 Edison 建造了第一个较正规的发电厂。煤炭作为当时发电的主要能源材料，使得储存煤炭的干煤棚也随之萌芽和蓬勃发展起来。最初的干煤棚采用的是木制结构，而且跨度也很小，储存煤炭的结构形式和材料都再一定程度上限制了干煤棚的发展产生。
大跨度网格结构不仅为材料堆积时的自然形式提供适宜的外形，更为类似材料的堆积提供了相应的空间。因此，大跨度网格结构更适合于煤、盐等固体材料的储藏。基于空间网格的优越性，越来越多的学者、专家开始关注和研究如何将该项技术应用到干煤棚中，随后各中形态不一的的大跨度空间网格结构形式在干煤棚中大量涌现。目前国外常采用的大跨度网壳结构主要有如下类型：
(1)球面网壳干煤棚；
(2)圆锥形网壳干煤棚；
(3)柱面网壳干煤棚；
(4)受地形条件限制的任意形状的网壳干煤棚；


第2章 网壳干煤棚施工方法

目前，储煤结构的构件和节点制造已经基本实现了生产标准化，现场的连接方法也比较成熟。结构构件和杆件节点在加工厂统一制作以后，运输到施工现场进行地面拼装。网架的吊装方法是否合理，对储煤结构的工程安全、质量、进度、经济等几个方面有很大影响。选择施工方案时应综合考虑的因素主要有：①结构形式和体型；②结构的跨度和重量；③施工的安全性和施工工期；④屋面上设备的安装情况等。

2.1 常用的施工方法
2.1.1 高空散装法
高空散装法，又称全支架法，是最简单最原始的一种施工方法，即在结构下部搭设满堂脚手架，在支架上铺设工作平台，将拼装好的小单元或散件运至工作平台上，直接在结构设计位置进行拼装的一种施工方法。也可以在施工现场地面上预先将网架拼装制作成锥体或平面桁架形式的小拼装单元，再起吊至高空拼装，从而减小高空作业量。高空散装法有满堂脚手架（即全支架）法和悬挑法两种，散件拼装一般采用满堂脚手架法，而对于球面网壳三角形网格的拼装，或者小拼单元在高空总拼得情况则多采用悬挑法。采用满堂脚手架法拼装时，如果支架顶部覆盖木板或者竹等脚手架满铺时，必须要注意采取防火措施，且由于需要搭设大规模的拼装支架，耗用料；大量材悬挑法拼装网架搭设的支架则比较少，节约材料，但悬挑部分的网架要保证有足够的刚度，且几何保持不变。高空散装法的施工顺序，即支架搭设→结构安装→支架拆除。
高空散装法的主要技术问题有：
（1）确定合理的拼装顺序
网架拼装时应从结构的脊线开始，或从中间向两边发展，这样不仅可以减少累计偏差，而且便于控制建筑标高。具体的拼装顺序应视结构本身的情况而定。
（2）标高及轴线位置的控制
单元拼装施工过程中，为了使网架总拼后网架总拼后支座中心偏移、纵横向总长度偏差、最低最高支座差、相邻支座高差等指标均符合网架规程的要求，现场施工人员应随时对结构标高和轴线进行测量并依次调整。
（3）拼装支架的要求
采用高空散装法时， 验算应对拼装支架进行设计 。同时，拼装支架还必须满足以下三方面要求：
① 度和刚度拼装支架要有足够的强 ；
②为防止支架在载荷作用下支架在荷载作用下发生微小的沉降，影响到网架拼装的精度，必须稳定其沉降量。
③网架拼装完成后，支架点的拆除顺序要按照网架自重挠度曲线分区按比例拆除。

2.2 新兴的施工方法
2.2.1 攀达穹顶施工法
攀达穹顶施工方法，最早由日本传开为教授提出，并已成功的应用于世界各个地的七个工程中。攀达穹顶的特点在于，在施工以及顶升的过程中穹顶体系是几何可变的。该施工方法的核心思想是通过设置三道绞线并临时去掉一些环向杆件，使穹顶在施工阶段暂时变为一个几何可变体系，从而可以趴伏在地面方便完成大部分的施工工作，然后顶升至设计高度就位，这样就减少了高空需要完成的工作。
年工程史上应用是攀达穹顶第一次在世界 1984 ，该工程是日本神户市的世界纪念堂，如下图。 110*70mm的柱面型双层网格结构该工程平面为 ，节点形式为焊接球节点。 .271995级的阪神大震灾年里氏该工程经历了 。灾难过后对结构进行的检测结果，最后证实“结构构件无任何损伤”。这也是攀达穹顶法可靠性的有力实例证据。
由于攀达穹顶体系可以弯折下来，从而方便地 施工在接近地面的高度进行 ，这样就 量大大节省了脚手架的数 ，带来可观的经济效益，同时可以使作业的安全性得到相应的保证，方便施工，保证了施工质量，便于质量监督管理。


第3章 超长大跨网壳干煤棚施工方案研究..............15
3.1 工程概况 ................. 15
3.2 现场施工特点及难点............ 17
3.3 网壳吊装方案的选择.................... 18
第4章 网壳干煤棚安装阶段力学分析......................42
4.1 网壳顶升单元的受力分析 ........................ 42
4.2 顶升架的设计及受力验算...................... 45

第4章 网壳干煤棚安装阶段力学分析

SAP2000 是由美国 CSI 公司开发研制的通用结分析与设计软件，在他的三维图形环境中提供了多种建模、分析和设计选项，且完全在一个集成的图形界面内实现。由于具有空间建模快速方便，分析结果准确、效率高，后处理方便等特点，因此许多大型钢结构均采用其进行了此类有限元分析软件，比如中央电视台大楼、鸟巢、水立方、国家大剧院等大型结构，分析结果良好。

4.1 网壳顶升单元的受力分析
用Sap2000分析软件，首先对单元六中B-C轴跨网壳单元进行建模。
（1）顶升阶段荷载
恒载：按杆件的实际截面输入考虑荷载；由于没有输入螺栓球乘以系数1.25；考虑液压千斤顶的动力系数乘以1.1。
活载：主要考虑施工活载，将每个节点施加1KN的力，组合系数为0.7。
风荷载：基本风压为 0.35KN/m2，高度变化系数按 30m 取为 1.39，体型系数为0.8。将风荷载直接作用在杆件上，按均布荷载考虑，计算结果为0.105N/mm。组合系数为0.6。
注：荷载组合按基本组合考虑。
（2）各个顶升阶段的力学分析
第一阶段：在B-C轴之间进行第一次顶升，经过建模计算，如下图有18根杆件超应力。为了保证杆件不超应力及网架整体结构不发生永久变形，采取加固措施。用5号杆件圆114×5替换后杆件能符合要求。


结论
近年来，随着煤炭行业的不断发展，国家对环保事业的大力投入，超长大跨干煤棚得到迅速发展。超长大跨网壳干煤棚具有刚度弱、无法整体施工等特点，其施工技术及施工过程中表现出的诸多力学及关键技术问题越来越受到重视。
本文通过邯郸市某焦场干煤棚的工程实例，结合施工现场控制理论，对大跨空间钢结构施工方案进行分析讨论，得到以下主要结论：
（1）本钢结构工程属于超长大跨度网壳干煤棚，网壳下弦杆局部抽空，且中部位置有原有构筑物（筛焦楼）穿出。通过施工状态模拟，得到施工过程中杆件的应力状态与设计中的应力状态差距很大。
（2）依据施工过程的特点与难点，综合考虑施工的经济性和可操作性。最终确定钢结构网壳的施工方案为分块顶升法。
（3）本文应用有限元分析软件 SAP2000 模拟网壳干煤棚的施工过程中，完成了顶升架结构在安装阶段的受力分析，并解决了施工过程中存在的网架杆件超应力和变形问题。
参考文献（略）