超大跨距钢结构散货堆场罩棚安装方案比选

徐军

（中交机电工程局有限公司，北京 100088）

1 工程简介

该工程为在非洲实施的矿石码头工程设计项目，其中1个子项工程是在港口堆场上建设一座超大跨距条形钢结构料仓。该料仓为钢结构罩棚，高56 m，单跨跨度162 m，长约420 m，总面积约6.8万m2。该罩棚工程是整个工程中的关键子项，具体难点和问题有：

1）该罩棚使用球柱网架结构，其跨度已远远超过了国内规范[1-4]中关于大跨钢结构屋盖的限值，是目前国内类似项目能查阅到的最大跨度，需要从荷载、结构选型及施工安装等多方面进行论证与研究。

2）超大跨距结构很难进行现场安装，而且国内现有的工程经验很少。据调查，国内尚无跨度超过150 m的球柱网结构，而且国内安装100 m以上跨距钢结构的施工经验很少。

3）罩棚需要建设在既有堆场上，堆场配有堆取料机，堆场和机械设备已投产，业主要求罩棚建设不能对现有生产产生过大影响。

4）本项目位于非洲西部，当地施工条件（如训练有素的劳动力、建筑材料和施工机械）都非常有限。

5）项目业主是西方公司，对现场施工的ESH要求很高[5-6]。国内类似工程往往采用高空直接拼装方案，这需要大量起重设备和有经验的高空作业工人，造成ESH方案不能完全符合西方业主的要求。

由于不同的施工方案不仅会影响施工工期和项目成本，而且会对设计方案的选用产生重大影响，因此研究该罩棚的现场施工方案就成为在设计阶段必须完成的任务。

本项目料场罩棚所需跨度远远超过类似的国内已有大跨度工程项目[7]。施工方案的合理性与设计方案同样重要，具体到本项目，施工过程的工况甚至会成为结构设计的控制工况。因此施工方案与设计方案一并进行研究并进行综合比较论证。

2 施工方案比较

设计提出的拟建罩棚截面为三中心椭圆柱壳体，拟采用的结构形式是空间网壳，用螺栓球网架体系构建。总长410 m，厚6 m，竖立50 m，跨度162m，如图1所示。

图1 料场罩棚截面Fig.1 Section of stockyard cover shed

2.1 方案一

可移动脚手架方案。

该方案的主要想法是搭建独立工作的可移动钢结构平台（脚手架），用该平台形成施工面并作为罩棚的“胎具”。钢平台外观与罩棚类似，外侧空间靠近棚内侧，且结构也采用螺栓球网架。平台由位于跨两端的台车和设于跨中两根支柱（带台车）支撑。两个支柱位置拟分别设在既有堆料机和取料机轨道上，利用现有轨道作为平台的移动支撑，见图2。平台总重大约250 t，沿着罩棚深度宽20m。

图2 可移动脚手架截面Fig.2 Section ofmovablescaffold

选用螺栓球网架结构搭建脚手架平台主要为了便于构件运输和现场组装。考虑到现场可利用的起重机条件，脚手架自身安装的最大起吊单元重量控制在30 t以内。

当罩棚进行安装时，移动脚手架平台由几组系泊链固定。当脚手架位置罩棚部件包括网架结构、檩条和屋面覆层的安装全部完成后，将平台用绞车沿轨道方向拖动到下一个安装位置。按照预定安装顺序，脚手架平台逐段滑动，直到罩棚完成。

本方案充分利用了料场上的现有轨道结构。罩棚装配所需的起重条件较低，不使用重型吊车。罩棚装配工作可利用脚手架平台形成的空中工作面进行，施工人员的通道、个人防护设备依托移动脚手架。本方案装配工作比其他方案相对容易，并且在偏差控制、质量控制和安全保障方面具有很大的优势。此外，本方案占用空间更少，能充分利用料场贮存项目所用建筑材料、施工机械和设备，而缺点是工作面有限，如需抢工期，只能增加平台宽度来增加工作面，因此会增加成本。

2.2 方案二

使用桅杆起重机进行整体吊装。

该方案需在设计中增强罩棚结构整体刚度。方案总体思路是：将罩棚沿纵向分段为几个装配件，数个桅杆起重机分别吊装各个部件。

具体安装实施方案：

1）靠近棚支架的组装件可不使用脚手架在空中装配。

2）跨径中间部分低于7m高的吊装装配件可在地面装配。

3） 每个吊装部件重量约为800 t，长96m。

4）一些拼接件可在空中组装，屋檩条及罩棚围护板部件可同时安装。

5）使用2×8组桅杆起重机吊装部件。

该方案的优点是：大多数组装工作在地面完成，无需大量起重设备工时，对大型吊装机械的需求也较少，而且起吊总提升距离短，拼接件最少，空中作业时间短，进而安全性较好。缺点是：需要设置临时地面组装平台用于分片网架的拼装，由于起重量大，而且安装作业对桅杆起重机的不均匀沉降非常敏感，因此要求桅杆起重机基础的承载力大，需要特殊处理。另外，吊装时安装荷载较大，为控制变形，要求桁架的整体刚度增强，主体结构成本比其它方案稍高。吊装作业见图3。

2.3 方案三

使用桅杆起重机进行分段吊装。

该方案也是用桅杆起重机进行吊装，但分段比前一方案小，且吊装分步进行，起重机数量和起吊点位置也随着吊装量增加而增加。

图3 在地面上组装空间桁架Fig.3 Space trussassembly on theground

具体方案是：网架按分段在地面进行组装。将网架沿堆场纵向分成若干装配件。为每个装配件建立4组桅杆起重机，将装配件分成段，每次吊装2组桁架或1个空间桁架（宽19.2 m，共4段）。吊装作业贯穿整个安装过程。每次吊装桁架段时，装配接口和连接作用在地面完成，无需使用任何地面平台。分段吊装部件到位后，最后安装地面支架。

该方案的优点是：大多数组装工作在地面完成，无需任何平台。吊装重量为260 t，对起重机基础要求较低。缺点是：吊装贯穿整个施工过程，即全过程中构件均处于起吊状态。这是因为装配件的横向刚性相对较弱，安装期内的抗风压能力有限，整个安装过程中的安全保障措施要求高。此外，由于有很多拼接件需要在空中制作，受自然条件影响较大，工期保证性较差。吊装作业如图4所示。

图4 分段吊装第三阶段Fig.4 The third stageofsegmentalhoisting

3 推荐的施工方案

上述方案均考虑了现场的自然条件和资源支撑条件，根据现阶段的资料分析和经验判断，均可行。本工程是在国外实施的具有技术难度的大型结构工程，设计阶段应更加侧重方案的安全性、可靠性。

对比上述3个方案，方案一的单件起重量最低，且作业时有空间脚手架依托，尽管空中作业时间较长，但安全措施较容易实现。另外，方案一的小分段安装方式与国内同类工程所采用的方式相类似，但国内工程往往用网壳自身结构作为脚手架，远不如本方案安全和便利。因此国内安装队伍对方案一的工法较熟悉。这样工程的安全控制、进度控制均较好，而且方案一充分利用了现场已有轨道，节省了额外的基础投资。

方案二、三需要大起重量的起重作业，对作业条件和操作者的要求高，工程风险相对较大。而且大片网架构件吊装和卸载过程产生的空间变形和额外安装应力在现场安装过程中处理难度很高。方案三全过程构件在空中处于起吊状态，这就要求对现场自然条件、生产隔离措施、设备状态、操作者经验和工作状态等严格掌控，现场风险程度较高。另外，针对方案二、三，设计时需额外考虑较大的吊装荷载，结构本身需要额外加强，这样成本会有相应增加。

通过上述各方案在安全保障和施工难度、成本、进度控制的比较，在最终设计方案选定时建议使用可移动脚手架方案作为首选施工方案并以此作为结构设计的设计条件。

本工程目前正处于施工准备阶段，现场施工组织设计按照推荐方案进行。

参考文件：

[1]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].GB 50011—2010，Code for seismic design ofbuildings[S].

[2]GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].GB 50009—2012,Load code for thedesign ofbuildingstructures[S].

[3]GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].GB 50017—2003,Code for design ofsteelstructures[S].

[4]JGJ7—2010，空间网格结构技术规程[S].JGJ7—2010,Technicalspecification for space frame structures[S].

[5]EN 1991-1-4 ：2005，Eurocode1：Actionson structures[S].

[6] EN 1993-1-5 ：2005，Eurocode3：Design ofsteelstructures[S].

[7] 罗尧治.大跨度储煤结构设计与施工[M].北京：中国电力出版社，2007.LUO Yao-zhi.Design and construction of big span structure for coalstorage[M].Beijing：China Electric Power Press,2007.