栓焊结合钢网架熟料库屋盖设计与施工安装

朱玉林

1 熟料库钢网架屋盖结构基本情况

某水泥厂熟料库钢网架屋盖结构工程项目位于云南省大理市，主要环境荷载参数[1]：抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度为0.20g，分组为第三组；基本风压为0.65kN/m2，没有雪荷载。熟料库钢网架屋盖分为上部库顶房网架和下部棱台网架（堆料工艺线需求造型）两部分。熟料库上部库顶标高为25.000m，预埋件钢板尺寸为30mm×700mm×700mm，材质为Q355B。库顶房网架直径D2=15.000m，结构檐口标高为59.500m，屋面及墙面封闭维护板材均采用厚0.6mm 的840 型彩钢板。下部棱台网架（壳）直径D1=60.650m，网格结构净高度为19.880m，设置36副单向滑动支座。支座连接处采用焊接球，有效控制了主体结构使用的最大连接螺栓直径，全网架所用最大螺栓型号为M56（9.8S）。棱台网架钢平台为H 型钢梁桁架及网架组合结构，钢梁顶标高为46.000m，H型钢梁上铺厚5mm 的花纹钢板（钢板底设置角钢加劲肋条L63×40×5@600），屋面铺设厚4mm的薄钢板防水。熟料库棱台及库顶房网架综合用钢量约为65kg/m2（不含钢平台H型钢梁体系）。

2 熟料库钢网架屋盖结构的设计

2.1 熟料库网架屋盖结构设计改进的必要性

熟料库棱台钢结构体系经历了从有中心筒到无中心筒，从桁架体系到网架体系的发展过程[2-3]，网架（壳）结构具有超静定的特性，便于施工组装，使得网架（壳）体系在熟料库的建设中得到大量应用[4]。目前，熟料库屋盖库顶房部分不仅有网架体系，也有轻钢体系，由于库顶房属于次要的维护结构，其用钢量少，设计成熟，方法简单，可优化空间不大。

常规熟料库棱台网架结构设计全部采用螺栓球节点，由于熟料库所处的特殊工作环境（常年高温，设备振动荷载）[5]，其支座附近需要用大直径螺栓（M60~M85均有出现）抵抗环向水平内力。大螺栓施工时拧紧困难，假拧紧现象时有发生，存在非常大的安全隐患，从安全角度考虑，减小螺栓直径、改进结构设计十分必要。

2.2 熟料库钢网架屋盖结构改进的思路

大直径熟料库库顶网架（直径D≥60m）必须采用成品滑动支座或弹簧支座，以降低径向支反力，从而降低对混凝土筒仓结构的影响，以控制或降低工程总造价。依以往经验初步分析，该项目单向滑动支座弹性刚度取6.0kN/mm，径向支反力要求＜260kN，弹性滑动铸钢件支座允许的水平位移限值为±45mm，结构挠度控制在千分之一左右，以期正常使用极限状态下的钢平台挠度小，为设备运行提供良好的工作条件[6]。

库顶网架支座标高处，环向杆件通过焊接球连接（其直径尽量控制为D≤500mm，球壳内设一道与球壁厚度相同的加劲肋），杆球（杆件及焊接球）连接处的焊缝质量控制等级为一级，必须进行100%超声波探伤[7]；大螺栓施工困难，可靠性低，全网架结构最大螺栓直径＜M60。焊接球为空心，由两个半球对接组焊而成，其质量应满足JGJ 7-2010《空间网格结构技术规程》中5.2 的规定。熟料库钢网架屋盖结构设计剖面图如图1所示。

图1 熟料库钢结构设计剖面图

2.3 栓焊（螺栓球与焊接球）结合的网架结构计算

（1）采用浙江大学MST软件进行网架设计计算并绘制施工详图；采用同济大学3D3S 软件建立全钢结构整体模型作复核分析，并验算焊接球节点强度。棱台网架基本控制参数为：拉压杆长细比150，应力比0.90，钢管采用Q235B 材质，起步断面尺寸为ϕ76mm×3.75mm，结构挠度＜65mm[8]。库顶房网架基本控制参数为：拉压杆长细比180，应力比0.93，钢管采用Q235B 材质，起步断面尺寸为ϕ60mm×3.50mm，结构挠度＜35mm。

（2）项目所在地工况风荷载较大，必须全盘考虑风荷载对结构的影响[1]，经3D3S 软件计算，分析得出熟料库钢网架风荷载参数，如表1所示。

表1 熟料库钢网架风荷载参数

（3）项目所在地为高烈度地震区，按现行空间网格规程对网架（壳）进行竖向和水平抗震验算[9]。模态分析得出，前4 阶为平动振型，主振型周期0.45s，振型周期衰减慢；第5阶出现扭转振型，主振型周期0.31s。分析本网架（壳）时，取前25 个振型对其进行效应组合。熟料库网架第1 振型、第2 振型、第5振型图分别如图2~图4所示。

图2 熟料库网架第一振型（T=0.45s）

图4 熟料库网架第五振型（T=0.31s）

（4）设计比较分析，并验算优化杆件截面配置。第一步，对网架节点全部按照螺栓球节点设计，经节点配件碰撞检查，得出螺栓最大直径为M64，螺栓球直径D=220mm，M64 螺栓出现在支座环向杆件（拉应力为主），与类似跨度熟料库网架常规设计结果基本一致。第二步，采取人工指定的方式指定支座环向杆件（D180mm×10mm），连接节点采用焊接球连接。经设计验算，需要WSR450-16 规格焊接球方能满足最低要求，球壳内加劲肋板焊接空心球材质选用Q355B[10]。

（5）焊接球与螺栓球的不同主要在于：每个焊接球节点受力均需要验算其性能是否能够满足规范要求，国产软件如3D3S、MST等均能完成焊接球节点受力验算工作，焊接球的质量必须符合现行行业标准的规定[11]。螺栓球一般选用优质碳素结构钢45号钢[12]，强度较高，螺栓球节点经验算和实验检验已形成规范，设计时只需根据节点几何碰撞检查选配螺栓球即可。螺栓球及其配件的质量必须符合现行行业标准的规定[13-14]。

（6）焊接球网架的优势在于焊接球节点气密性及水密性好，加工制作工序避免了钻孔对球体的二次损伤，其由两个半球组拼焊接而成，施工安装的关键点是控制焊缝质量和焊接残余变形。

虽然焊接球节点的质量大于螺栓球及其配件，但其在加工工序上有较大优势，两者各有所长，根据项目特点，螺栓球与焊接球结合将会产生较好的社会效益和经济效益。螺栓球与焊接球建筑信息模型对比如图5所示。

图5 螺栓球与焊接球建筑信息模型对比

3 熟料库栓焊结合网架的施工安装

图3 熟料库网架第二振型（T=0.41s）

栓焊节点混用网架施工与单一类型螺栓球或焊接球网架施工有较大的不同，需同时满足螺栓球节点需要的安装精度和焊接球节点需要的施工质量。依据住建部37 号令及31 号文和相关施工规范，项目部对此危大工程编制了专项施工方案，经专家论证通过后实施。

3.1 支座环向焊接球杆件的安装

棱台网架结构主体施工的主要顺序为：支座预埋件的交安，环向钢管与焊接球的拼接（两端与焊接球在地面组装），焊接球（分为支座和非支座）的定位测量和焊接施工，竖向钢管（一端有锥头）的焊接固定，第二层环向杆（两端螺栓球）的拼装，径向杆件的空中拼接，形成网架环体再逐步螺旋上升至拼装合拢成型。

第一圈焊接球施工时，测量定位是关键，滑动支座临时固定板件需完好无断裂，待上部网架成型、刚度能保证时方可拆除。验算需要时，可在混凝土库壁设置化学螺栓，用钢丝绳辅助结合首层网架施工球节点。环向焊接球杆件的安装及其与螺栓球的对接如图6所示。

图6 环向焊接球杆件的安装及其与螺栓球的对接

3.2 棱台主体螺栓球网架的安装

在网架逐步上升直至钢平台合拢的过程中，需对网架变形情况进行实时监测[15-16]，将设备监测的动态数据与施工过程验算的数据进行对比，若二者之差超出合理范围，则必须暂停施工，待问题解决后再行施工。本项目利用3D3S 软件计算施工步，采取模型逆推拆除的方式，计算每一施工步的结果，再反向编制进施工方案。

空间网格结构体系（网架网壳）具有超静定的力学特性，刚度大，变形微小，在仅有自重并无其他荷载的情况下，基本不会出现螺栓无法安装的情况。设计合理的网架结构能够使施工更加安全稳定，如果设计时一味追求经济用钢量（如受拉杆件长径比仅按规范规定取300），则极有可能在施工时出现问题，反而会增加施工成本。空间网架（壳）施工工况复杂，设计拉杆变成压杆的现象时有发生。栓焊结合网架（壳）结构施工作业具有一定的挑战性，焊接定位稍有不慎，则达不到应有的安装精度，易导致螺栓球网架无法拼装，最终导致项目失败。

项目螺栓球安装采取1个节点球与3根圆管杆件地面组拼成小单元，吊车将该小单元吊装到空中总装位置，由施工人员拧紧螺栓安装就位，以此类推向上推进施工。一般情况下，使用小吨位吊车或工地塔吊即可满足安装要求，使用小吨位吊装设备灵活方便，施工费用低且组装速度快。网架螺栓球节点小单元螺旋式上升拼装如图7所示。

图7 熟料库网架螺栓球节点小单元螺旋式上升拼装

3.3 网架施工的完成

棱台网架施工完毕后，在平台面焊接专用钢支托，安置H 型钢梁并沿环梁满铺花纹钢板（设备预埋及洞口处除外），待拉链机廊道及收尘器等工艺设备安装完毕后，施工库顶房屋盖。

因库顶房设置有5t检修葫芦（轨道为工字钢工32a-Q235B），库顶房采用网架体系结构比轻钢体系结构整体性更好，安全稳定性更高。棱台屋面采用槽钢檩条（主次檩）上铺扇形钢板，采用钢板屋面的主要目的是防水抑尘，薄钢板焊接屋面能形成良好的封闭维护系统。常规的彩钢瓦屋面容易漏灰，加上南方雨水多，搭接位置胶布条因安装不到位或经数年老化后，极易形成漏水点，且不易检修。钢板屋面要求连接焊缝平顺，不能出现裂缝或少焊漏焊情况，对已完成的焊接板面需涂刷油漆防腐，面漆的颜色由业主或建筑专业设计人员指定。熟料库棱台网架施工焊接扇形钢板如图8所示。

图8 熟料库棱台网架施工焊接扇形钢板

4 结语

该项目设计方案创新性使用了栓焊结合网架熟料库棱台结构体系，提高了结构关键杆件节点的可靠性。栓焊结合网架用于大跨度熟料库时应注意以下几点：

（1）应使用计算软件对焊接空心球节点进行力学计算，并用实验对其进行验证，确保满足相关规范要求，螺栓球网架和焊接球网架设计说明中，应包括具体的技术参数控制要求。

（2）栓焊结合网架施工方案的制定，需结合结构形式和场地条件，栓焊结合网架改变了单一类型球节点网架的施工模式，项目部应综合考虑栓接和焊接的先后顺序，准确把握施工主次，确保安装精度。本项目采取先焊接球再螺栓球的施工顺序，工序简单，安装精度能够满足施工方案设定的目标和相关规范要求。科学监测能够有效指导施工，对钢结构（尤其是大跨度网架），进行施工时的动态监测是十分必要的。

（3）分别设计库顶房和棱台网架参数，既能节约钢材，也能达到结构主体刚度合理分布的目的。棱台面展开后为扇形，波形彩钢瓦难以实现抑尘防雨目的，本项目采用薄钢板并按扇形下料，进行现场焊接，施工效果好。