水泥工厂预均化库屋盖柱面网壳悬挑安装方法

冯绍新 李顺 徐帅

(1.中国中材国际工程股份有限公司天津分公司，天津 300400; 2.天津大学建筑工程学院，天津 300072)

0 引言

新型干法水泥生产技术采用预均化库完成原料的预均化。网壳结构具有空间刚度大、整体性好及用钢量省等优点，目前广泛应用于水泥工厂预均化库屋盖结构。由于水泥工厂预均化库屋盖网壳跨度较大，传统安装方法或不易实施，或费用过高。预均化库屋盖网壳的悬挑安装法［1］，采用少量杆件组成小拼单元，由网壳底部向顶部悬挑拼装，不需或仅需搭设少量脚手架，不需大型起吊设备，安装费用低、安装速度快。但采用悬挑安装法进行网壳安装时，网壳在形成整体结构前就开始承担荷载，不恰当的拼装次序或安装过程中过大的结构变形将可能引发施工事故或导致网壳安装困难。因此，有必要对预均化库屋盖网壳的悬挑安装过程进行数值仿真模拟，确定悬挑安装法的可行性和安全性，必要时，采取临时加固措施，减小结构安装变形，确保网壳施工的安全性。

本文以跨度49 m的水泥工厂预均化库屋盖双层柱面网壳为例，采用通用有限元分析软件ABAQUS［2］建立网壳结构有限元分析模型，对网壳悬挑安装全过程进行数值模拟，以确定悬挑安装过程中网壳杆件内力的变化规律，保证网壳悬挑安装安全实施。

图1 预均化库屋盖双层柱面网壳平立剖面图（单位：m）

图2 预均化库屋盖双层柱面网壳悬挑安装过程示意图

1 工程概况

水泥工厂预均化库屋盖双层柱面网壳如图1所示，结构跨度49 m，纵向长度123 m，采用正放抽空四角锥网格，网壳几何参数如表1所示，满足JGJ 7-2010空间网格结构技术规程［3］相关规定。网壳杆件为圆钢管截面，钢材种类为Q235B，采用螺栓球节点连接。网壳最下边节点隔点设支座，三向铰接约束。

表1 预均化库屋盖双层柱面网壳几何参数及网格划分

2 网壳悬挑安装全过程数值模拟

2.1 安装顺序

采用分别沿纵向和跨度方向呈阶梯状对称安装方式进行双层柱面网壳悬挑安装，具体安装过程如下:

1)搭设局部脚手架，完成双层柱面网壳前3格杆件安装，形成稳定结构，如图2a)所示。

2)从第4格杆件开始采用小拼单元悬挑安装，由于采用抽空网格，每间隔一个网格杆件的安装方法相同，第4格的起始安装单元1由一个螺栓球连接的一根纵向杆及两根腹杆组成，在此基础上，安装单元2由一个螺栓球连接的一根纵向杆、一根横向杆和一根腹杆组成，而安装单元3则由一个螺栓球连接的一根纵向杆、一根横向杆和两根腹杆组成，如图2b)～图2d)所示。

3)其余安装的单元组成如图2e)～图2n)所示。

2.2 网壳悬挑安装数值模拟方法

采用通用有限元软件ABAQUS进行网壳悬挑施工过程数值模拟，在建立网壳结构有限元分析模型时，创建所有单元，在第一个分析步中，利用ABAQUS提供的MODEL CHANGE模块将模型的部分单元移除(REMOVE)，然后在后继的分析步中，逐步激活各个小拼单元(ADD)，从而模拟网壳结构逐步拼装的过程。

2.3 网壳杆件施工内力分析

采用通用有限元软件进行49 m跨度预均化库双层柱面网壳悬挑安装全过程数值模拟，得到网壳各杆件内力随安装过程变化情况，分析中考虑了已安装及正在安装的网壳杆件自重、施工人员活荷载及设计风荷载作用，分析结果表明，采用悬挑安装方法进行预均化库双层柱面网壳安装是安全、可靠的。

悬挑安装过程中压应力较大的896号及1012号杆件轴向应力变化如图3所示，可以看出随着安装的进行，杆件应力呈逐渐变缓的增长趋势，但杆件施工内力的终值不一定是安装过程中内力的最大值。当网壳结构每一格杆件合龙时，由于整体性增强，杆件内力会有所降低，使得杆件内力呈周期性变化。

双层柱面网壳结构对风荷载较为敏感，为考察风荷载对悬挑安装过程中网壳杆件内力的影响，选取结构关键部位杆件，将有、无风荷载作用下杆件施工应力最大值比较如图4，图5所示。可以看出，风荷载作用下，网壳杆件在悬挑安装过程中的应力成倍增大，说明网壳对风荷载比较敏感，建议在风较大的情况下，暂停网壳的悬挑安装施工。

图3 杆件896号及1012号轴向应力随网壳安装过程变化规律

图4 风荷载对安装过程中网壳杆件最大拉应力的影响

图5 风荷载对安装过程中网壳杆件最大压应力的影响

此外，分析表明，悬挑安装过程中应力较大的杆件主要分布在网壳设置门洞附近，建议在进行网壳悬挑安装时做好必要的加固支撑措施，保证结构的顺利安装及施工安全。

3 结语

本文以跨度49 m的水泥工厂预均化库屋盖双层柱面网壳为例，采用有限元法对网壳悬挑安装全过程进行数值模拟，得出以下结论:

1)悬挑安装过程中，网壳杆件最不利应力小于材料设计强度，悬挑安装方法安全、可行;2)悬挑安装过程中，网壳杆件应力呈逐渐变缓的增长趋势，杆件施工内力的终值不一定是安装过程中内力的最大值;3)风荷载对于网壳杆件施工内力有较大不利影响，建议在大风等恶劣天气条件下，暂停网壳悬挑安装施工。

［1］ 卓 新，董石麟.大跨柱面网壳的悬挑安装法与施工内力分析［J］.浙江大学学报(工学版)，2002，36(2)：148-151.

［2］ ABAQUS Document Version 6.8，2008.

［3］ JGJ 7-2010，空间网格结构技术规程［S］.