某煤場大跨度鋼桁架施工技術(shù)研究

蔣光軍

(四川攀鋼鋼構(gòu)有限公司，四川攀枝花 617000)

大跨度鋼結(jié)構(gòu)因其跨度大，構(gòu)造復(fù)雜，其施工工藝較傳統(tǒng)工藝存在施工控制要點和施工順序上有一定的差異。目前，常用的吊裝方法[1]有：整體吊裝法、滑移法、高空散裝法、整體提升法等。

整體吊裝法是在組裝平臺上將各構(gòu)件組裝成結(jié)構(gòu)整體，選用合適的起重設(shè)備進行吊裝的施工方法[2]。整體吊裝可分為場地內(nèi)吊裝和場地外吊裝，場地內(nèi)拼裝的結(jié)構(gòu)可直接使用起吊設(shè)備吊裝，對起吊設(shè)備來說，負重運行距離較短，在吊裝過程中更偏于安全；當(dāng)現(xiàn)場可用的施工場地有限時，在場地外進行結(jié)構(gòu)拼裝，此時的吊裝作業(yè)需起重設(shè)備負重運行較長的距離，加大了吊裝的難度，特別對于多臺起重設(shè)備共同執(zhí)行吊裝作業(yè)。整體吊裝法可減少高空作業(yè)的工作量，更有利于組裝作業(yè)的實施。其不足之處在于對起重設(shè)備的要求較高，且不利于平行施工，造成工程工期較長。

1 工程簡介

某煤場南北長約350 m，東西寬約140 m，為露天堆放形式，堆取方式為取煤機及汽車運輸混合。由于車輛運輸及堆取機械作業(yè)，煤場區(qū)域及周邊粉塵嚴重，為改善現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，擬對該煤場進行全封閉處理。

新建全封閉廠房為不規(guī)則長方形，對南北側(cè)的轉(zhuǎn)運站、南側(cè)變電所、東側(cè)膠帶機通廊不封閉，其余均采取封閉處理。封閉后廠房長292 m，寬142 m，廠房全封閉面積40 126 m2。結(jié)構(gòu)形式選用單跨鋼排架結(jié)構(gòu)，柱頂標(biāo)高為25 m，屋架采用組合式巨型鋼管桁架，除廠房柱及屋架采用Q345B之外，其余均采用Q235B。新建煤棚加上兩邊山墻柱及屋架共計10榀，其中5榀跨度為136 m，3榀跨度達141 m，邊支柱的柱頂標(biāo)高為25 m，屋脊頂標(biāo)高為37.5 m。巨型管架支承于兩側(cè)鋼柱上，每側(cè)設(shè)置支承點10個。

因煤場封閉改造工程在施工過程中不能影響煤場的正常生產(chǎn)作業(yè)，且所能使用的施工場地非常有限，針對該項目的施工，擬采用整體吊裝的方式以完成煤場的封閉作業(yè)。

2 施工技術(shù)分析

2.1 施工布置

考慮施工場地有限且不能影響煤場的生產(chǎn)，將屋架組裝區(qū)設(shè)置在1～2線之間，且為了保證四榀屋架同時組裝的場地需求，屋架的組裝平臺須超過高度為5.5 m的擋煤墻，故在6 m高的井字架上設(shè)置組裝平臺。同時，在靠近皮帶基礎(chǔ)方向修筑一條10 m寬的施工道路，以便于履帶吊的吊裝作業(yè)。通過履帶吊將組裝完成的屋架逐一從組裝區(qū)吊至安裝位置，完成施工作業(yè)。施工平面布置如圖1所示。

圖1 施工平面布置

2.2 桁架拼裝

因為桁架結(jié)構(gòu)中桁架的數(shù)量大且種類繁多，拼裝過程中易出現(xiàn)構(gòu)件混用而導(dǎo)致后續(xù)構(gòu)件無法拼裝的現(xiàn)象，故在正式拼裝前需對桁架進行預(yù)拼裝，以保證各構(gòu)件的正確拼裝。

單跨桁架的拼裝作業(yè)按照圖2所示的流程進行，拼裝作業(yè)中需嚴格控制焊接質(zhì)量，選用合適的焊接工藝、焊接材料及焊接順序。

圖2 桁架拼裝流程示意

屋架組裝順序：9，8，7，6 線屋架組裝—9，2，6 線立柱安裝—9線屋架安裝—8線立柱安裝—8線屋架安裝—7線立柱安裝—7線屋架安裝—6線屋架安裝—5，4，3，2線屋架組裝—5線立柱安裝—5線屋架安裝—4線立柱安裝—4線屋架安裝—3線立柱安裝—3線屋架安裝—2線屋架安裝。其中，為滿足安裝需求，2號柱和6號柱先進行安裝，其余立柱則根據(jù)屋架安裝順序進行安裝。

2.3 吊裝分析

2.3.1 吊機選擇

根據(jù)工程實際狀況，本工程最大吊裝構(gòu)件為第7～9榀屋架，其尺寸為6 m×13 m×141 m，重達150 t，所需吊裝高度為25 m。為避免起重機在行駛途中和旋轉(zhuǎn)起重臂時碰撞主體結(jié)構(gòu)，經(jīng)理論計算，吊機的吊臂長度不得低于60 m，決定采用兩臺徐工QUY350型履帶式起重機進行吊裝。履帶吊吊裝示意圖如圖3所示。

圖3 履帶吊吊裝示意

2.3.2 吊點設(shè)置

根據(jù)煤場場地要求，為保證煤場堆煤儲量，將兩個附煤場靠近皮帶機10 m寬距離作為吊車運行道路。根據(jù)履帶吊前行道路的位置，設(shè)置的兩個吊點位置分別為靠軸線A處32.5 m和D軸線 25.5 m。采用四點起吊，固定鋼絲繩長度。

2.3.3 鋼絲繩選用

本工程起吊鋼屋架采用等級為1 770 MPa的6×37+1纖維芯鋼絲繩，共設(shè)掛繩節(jié)點8個，屋架兩邊各4個節(jié)點，每個節(jié)點采用1根鋼絲繩對折綁定鋼屋架上弦，屋架與吊鉤垂直距離為6 m。鋼絲繩栓掛如圖4所示。

圖4 鋼絲繩栓掛示意(單位:mm)

2.4 數(shù)值模擬分析

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，選用有限元分析軟件MIDAS/GEM對桁架吊裝過程進行數(shù)值建模分析，以分析桁架在施工過程中的應(yīng)力分布、變形、結(jié)構(gòu)位移及吊索內(nèi)力等。

2.4.1 應(yīng)力分析

通過MIDAS/GEM計算得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，如圖5所示。由應(yīng)力分布圖可知，屋架構(gòu)件的最大組合應(yīng)力為82.4 MPa，分布在上弦桿、撐桿和斜腹桿處。結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力仍然遠低于材料的屈服強度235 MPa，在吊裝過程中，各構(gòu)件處于安全狀態(tài)。

圖5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

2.4.2 變形分析

在結(jié)構(gòu)的吊裝過程中，主要作用的荷載為結(jié)構(gòu)的自重，考慮自重作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，得到如圖6所示的結(jié)構(gòu)變形圖。通過數(shù)值模擬分析可得到，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大撓度為0.084 m，且發(fā)生在結(jié)構(gòu)的跨中部位。

圖6 結(jié)構(gòu)變形

2.4.3 吊索內(nèi)力分析

通過圖7所示的吊索內(nèi)力圖可知，吊索的最大內(nèi)力為376.35 kN，因?qū)嶋H吊點是將1根鋼絲繩對折使用，故單根吊索的最大內(nèi)力應(yīng)減半，即188.18 kN，未超過選用鋼絲繩的極限索力。

圖7 吊索的內(nèi)力

2.4.4 結(jié)構(gòu)位移分析

圖8給出了由MIDAS/GEM計算的結(jié)構(gòu)位移云圖。由此可知，屋架構(gòu)件的最大位移為4.170 m，最小位移為4.123 m，兩者相差1.13 %。且在吊裝過程中，吊點位置附近并沒有發(fā)生不合理的變形，結(jié)構(gòu)可近似看作整體并作剛體位移。

圖8 結(jié)構(gòu)位移云

3 結(jié)論

根據(jù)工程實施和有限元數(shù)值模擬分析可得出，在吊裝的過程中，結(jié)構(gòu)的各部分變形較均勻，特別在吊點位置附近并未出現(xiàn)較大的變形，結(jié)構(gòu)在平穩(wěn)的吊裝過程中可近似看作結(jié)構(gòu)整體作剛體位移。通過對比吊索內(nèi)力值和鋼絲繩破斷力，該工程選用的吊索具有一定的安全儲備，滿足施工的要求。建議在使用整體吊裝法進行大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工時，嚴格控制吊裝的速度，避免構(gòu)件因較大的動荷載產(chǎn)生過的大變形。