钢管拱架在拌合站料仓雨棚中的设计与施工

王海涛

1 工程概况

长吉城际铁路DK76+092～DK98+000段，全长21.9 km。设计在 DK 87+710位置处，设立3号混凝土拌合站及2号级配碎石拌合站，以集中拌合所需混凝土和级配碎石，然后由此沿施工便道自中间向两端运输。3号混凝土拌合站有HZS90型混凝土拌合机三台，2号级配碎石拌合站有WD500型级配碎石拌合机一台。

为保证混凝土和级配碎石的生产质量，在该拌合站设计了5 400m2的雨棚的配套设施。拌合站雨棚主体结构采用钢管拱架结构，屋面采用0.5mm厚彩钢面板，构件刷涂防锈漆一遍，相邻拱架之间设立排水槽，排水方向为由前(拌合站主机方向)向后(围墙方向)。

2 主要设计参数

1)本工程考虑施工活荷载3 kN/m，上吸风活载0.35 kN/m2，恒载(自重)1 kN/m。2)单榀跨度分别为13m和15m，总跨度为133m。上构跨径组合为1-13m+8-15m。同一立柱间距6m，立柱高 7m。3)主要工程数量为钢管拱架、檩条及立柱(包括节点)数量。钢管拱架共90榀，檩条共9 000m，立柱100根。4)排水方向为单向，方向由前(拌合站主机方向)向后(围墙方向)，坡度4‰，排水槽设于每跨连接处，截面尺寸宽×高=20 cm×20 cm。总长度432m(8×54m)。

3 荷载计算

1)计算施工活荷载。施工活荷载:按0.5 kN/m2考虑，折合到梁上均布荷载为 0.5×6=3 kN/m。依据《钢结构设计规范》，考虑活载安全系数 1.4，可知雪作用在屋架结构上的荷载为0.3 kN/m2，经计算Q雪=0.3×6=1.8 kN/m。雪荷载等于施工活荷载，由于二者不会同时出现，这里只考虑施工活荷载。2)计算风活载。按照荷载规范要求，该结构矢跨比 1.8/18=0.1，则仅考虑上吸风荷载。上吸风荷载:按风压高度系数为1.0(B类)，风振系数取为1.2，体型系数取为0.8，基本风压为:0.35 kN/m2。3)计算恒载(自重)。屋面彩钢板及屋面檩条荷载:按0.17 kN/m2考虑，折合到梁上均布荷载为0.17×6=1 kN/m。

4 钢管拱架结构验算

4.1 主要材料

φ60×375.5和φ160×4.5钢管;120×50×20×2.5 C型钢; 40×40×5型角钢;10mm钢板;Φ18和φ16钢筋;J422-φ4.0焊条。

4.2 钢管拱形结构模型

拱顶钢管2×L1=2×15.055m间距450mm，L2=15.029m， L1与 L2间距 350mm。Φ18和φ16加固钢筋间距 50mm。

4.3 结构验算

4.3.1 钢管拱架

1)荷载模型(有限元模型)见图1。

2)反力计算见图 2。

3)位移计算见图 3。

数据分析:Ymax=0.023 5/18≈1/1 306＜1/400，因此符合设计要求。

4.3.2 檩条挠度

冷弯内卷边槽钢檩条型号:60×30×15×2.5。

最大挠度:满足刚度要求。考虑到两跨中间积雪可能会更深，因此不予调整。

拉筋拉应力验算:

由以上数据可以看出，拉筋提供的拉力偏小，此拉力主要是由施工活载引起，因此在施工时一定要做好立柱和拱桁架的连接。

4.3.3 立柱稳定性计算

选d=168mm，t=5mm，h=6m，Q235薄壁钢管。

假设一杆端铰接，一端刚接，λ=μl/iz=0.7×6/168/4×103= 100，查 λ对应￠值0.604，则:

YB=102.3 kN＜133 kN，因此符合要求。

4.3.4 抗倾覆计算

Y(墩+柱)=9 kN，实际上分担在墩和柱的重量约3.5 kN，因此保证结构不倾覆，必须将立柱与基础焊接牢靠，才能符合要求。

以上计算施工荷载较大，施工时应采取措施，增加横向连接筋截面，或采取侧向支撑，以平衡横向力。

5 钢管拱架施工技术

5.1 主要工序

1)模具制作。基础底座混凝土顶面必须精确测量保证水平，并预埋相应构件，基础底座上铺10mm钢板作为模具基础，与预埋在底座混凝土中的预埋件焊接牢固。

2)放样和下料。放样和下料由专职放样技术工人负责，放样前应做好样板样杆并应检验合格，同时应对钢板进行矫平矫正，切割放样划线应预留割缝和边缘加工余量，组装和钻孔划线应划出中心线，边缘控制线，冲印，并做上相应的记号，以防混淆。

3)组立定位。组立定位主要是指 φ60×4.5钢管，在焊接前的点焊定位固定。φ60×4.5钢管组立，量大而规则的则工作平台上组立加工，组立前应对钢管骨架进行矫正矫直，由放样人员划出中心线、定位线，待检验合格后才准点焊固定。

4)组装电焊(手工焊)。端头板、加筋板、连接节点都要进行组装电焊，组装时应在专用模具胎架上进行正式电焊。焊接后对应力过于集中的位置用热处理以消除过大的应力。手工焊的焊接人员均按规定考核持证上岗。

5.2 钢管拱架的制作

1)钢管拱架的制作流程图见图 4。

2)下料时对于弧形的钢管拱架材料长度放余量 30mm。

3)基准的选择:高度方向:对于钢管拱架的上表面。长度方向:中心线。宽度方向:中心线。

4)主体的加工。根据上面定出的基准线，在经检验合格的胎架上拼装，拼装时应注意不得在焊缝区域外引弧。在钢管骨架组立定位后，再焊接架立筋。焊接次序和参数见焊接要领。焊接矫正后，待装。

5)加劲板、连接板加工。加劲板、连接板按图示尺寸切割下料，部分加劲板和连接板划线钻孔。

6)加劲板等的组装。以两钢管中心连线为基准，以拱架的上拱侧为上表面，每挡劲板加放 0.3mm焊接收缩余量后组装加劲板。焊接矫正，半自动切割定长度。钻端孔，开现场焊坡口(注意方向)，安放衬垫板。

5.3 屋面系统

1)檩条。檩条长度为 6m，此长度等于两榀钢拱架间距。檩条间距满足设计要求，横向间距误差小于 10mm。

2)彩钢瓦。堆放场地应平整，应用垫木使板离地 20 cm左右，垫木应平整且间距不得大于2m。安装时，铆钉横向间距同檩条间距;纵向间距0.5m。

5.4 立柱及钢管拱架的安装

1)吊装工艺流程:立柱按照编号依次进行吊装、校正、固定→柱间圈梁吊装、固定→1号、2号柱间钢管拱架吊装、校正、固定→3号、4号柱间钢管拱架吊装、校正、固定→跨间斜拉肋安装(若有)→跨间檩条及水平、垂直支撑安装→5号、6号柱间钢管拱架吊装、校正、固定，依次类推。

2)钢管拱架吊装前应先在地面拼接平台上进行焊接组装拼接，应采用水准仪、钢卷尺控制拱架的几何尺寸、挠度、侧弯等，严格控制钢拱架的组装拼接精度。

3)钢管拱架吊装后，应及时用缆风绳和次梁、斜撑等进行稳定。

6 主要工序安装施工方法及质量要求

6.1 钢管柱吊装

1)先检查、复核基础的轴线位置、高低偏差、平整度、标高，然后弹出每支钢管柱基础的十字中心基准线和基准标高。

2)检查钢管柱的编号、中心基准点、高差基准点、吊点，以及表面损伤情况，待检验合格后即可提供吊装。

3)钢管管柱采用汽车吊装，吊装时应对准基准中心线进行安装，同时用水准仪控制标高，吊装后，使用经纬仪校正柱的垂直度，柱吊装完并固定，经过验收后，由土建单位配合进行柱脚包裹混凝土施工。

6.2 钢拱架吊装

为保障吊装的精度要求，拱的地面焊接组装一定要做到平、直、精、准。

在地面搭设平台，对钢管拱按编号进行适当摆放，平台和钢管拱用水准仪、经纬仪测量校正，同时检查钢梁的编号、中心基准点、高差基准点、吊点以及表面损伤情况，然后进行地面组装拼接，待检验合格后即可提供吊装，吊装时应先试吊。

7 结语

中铁十九局集团长吉项目经理部二工区 3号混凝土拌合站和2号级配碎石拌合站使用钢材 100 t，比原设计节省钢材近 30 t，取得了较好的经济效益和社会效益，得到了业主和局指领导的一致好评。

[1] GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[2] GB 50017-2003，钢结构工程施工质量验收规范[S].

[3] 周学军，顾发全.钢结构工程施工质量验收规范应用指南[M].北京:中国建筑工业出版社，2004.