双层螺栓球网壳结构的应用实例研究分析

文/李育薇 苏州科技学院 江苏苏州 215009



双层螺栓球网壳结构的应用实例研究分析

文/李育薇 苏州科技学院 江苏苏州 215009

【摘要】网壳结构因其优美的造型设计和广泛的运用，成为近年来发展最快的结构之一，本文以浙江国华宁海电厂煤仓大跨度空间螺栓球网壳穹顶设计与施工为例，结合工程的具体情况，阐述其设计与安装原理。结果表明：该施工方法降低工程造价、缩短工期和保障施工质量，增强市场竞争力，具有良好经济效益和发展前景。

【关键词】螺栓球结构；设计原理；应用实例；施工方案

一、工程概况

宁海电厂煤仓穹顶采用双层螺栓球节点球壳，半径68.349m。球壳跨度129.63m，水平投影面积13194m2。网架矢高42.98m，球壳厚度2.0m，支承形式为下弦柱点支承。考虑上弦恒荷载0.20kN/m2，下弦悬挂荷载为60m直径沿环向2kN/m,活荷载0.5 kN/m2，基本风压：0.6 kN/m2。径向位移40mm。

二、设计原理

在选择结构的类型时，应该综合考虑结构的受力性能和经济性能，结构的平面形状尺寸、结构的矢高、边界支承条件等因素。网壳结构要求简洁，传力均匀、明确。

首先通过计算求出结构承受的主要荷载情况、荷载大小、选择合适的荷载组合，对于电厂煤仓这样大跨度的空间结构，风荷载在计算中不可忽视。利用哈尔滨工业大学的STACAD网架设计工程软件，进行网壳计算及施工图绘制。恒荷载取0.20 kN/m2，作用在上弦节点上。风荷载是该工程中的重要荷载之一，风荷载体型系数的选取很重要，根据荷载规范和类似工程的风洞试验结果可以选取适合的体型系数。

该工程采用的双层网壳结构，是由两个同心或不同心的单层网壳通过斜腹杆连接而成的。网壳采用四角锥网格，平均杆长3.5米，球壳厚度2.0m，总吨位510.3吨。

边界条件假定在结构计算尤为重要，网壳结构对边界条件的要求较高。该工程中，为考虑网壳和扶壁柱的协同工作，将扶壁柱作为网壳弹性支承。为此，将网壳离散为空间杆单元，扶壁柱作为空间梁单元，扶壁柱在标高±0.0处嵌固，对网壳和扶壁柱进行整体计算分析。支座节点的设计与支承条件的假定是大跨度网壳结构中的技术重点。支座节点的构造设计要符合结构设计中的计算假定结果，即程序中结构支座刚度符合实际刚度。网壳结构的支座节点在网壳结构中起重要作用,它连接了网壳结构与下部支承结构，是实现边界条件假定的重要方法。该工程中，对网壳的36个支座解放其水平约束，单独计算网壳。将网壳的36个支座设计成不动铰支座，单独计算网壳。结合以上情况进行组合，求出网壳的最不利内力。网壳支座采用平板支座，平板底座与柱顶混凝土埋件焊牢使其没有相对位移。

网架的节点构造应满足：（1）受力均匀合理，传力明确；（2）确保杆件交于一点，不产生额外弯矩；（3）构造简洁，制作安装方便，节约钢材；（4）减少难于检查、清洁、涂漆和容易积灰的死角。国内网架结构主要分为：焊接球节点网架和螺栓球节点网架两种。本工程使用的螺栓球节点由钢球、螺栓、套筒、螺钉和锥头等零件组成，每根端部带有螺栓，拧入球内形成螺栓球节点网架。螺栓球节点网架具有跨度大、重量轻、整体性好、抗震性好等优点，造价也相应低廉，并且由于基本上没有焊接节点，安装速度相当快，能在很短的时间内完成工程施工，适用于现场工期时间短，施工条件简单、用电量受到制约、网架形状复杂、杆件定位困难的形状奇异的结构。钢球尺寸受相邻杆件的夹角小、螺栓的直径和螺栓伸入球体的深度等因素影响。该工程螺栓球采用D130，D150，D180，D200，D250规格，重量47.4吨，材料为紧定螺钉。

三、施工方案

对于电厂煤仓来说，面积比较大，相应重量也较大，不利于地面拼装。螺栓球常用的方法是满堂红脚手架高空散装法，这种方法相对简单、便于操作，对于大型起重设施要求低，对现场条件和人员要求也不高，几乎用于各种形状的网壳的安装，高空散装法一般要求在施工区域下方搭设满堂红脚手架，在脚手架上满铺脚手板形成一个工作平台，施工人员在平台上完成安装作业，由于网架面积较大，脚手架需求量多，租赁、搭设和拆除费用较高。此外，搭设、拆除脚手架工期也较长，影响工程进度，不能体现经济性，所以这个方法并不理想。因此，该工程根据起重设备的机械性能、安装高度、现场条件等情况进行多种方案的对比，最后采用不使用脚手架的“分条分块微型吊具高空散装法”。

该方法分两个阶段进行：第一阶段为分条分块安装法，分条分块安装法是高空散装法的组合扩大，根据起重设施的机械性能、安装高度、现场条件等因素，将网架划分为若干个单元，条状单元一般沿长跨方向分割，其宽度约为1-3个网格，块状单元一般沿网架平面纵横向分割成矩形或正方形单元。在地面上拼装成条状或块状扩展组合成单元体后，用起重机、千斤顶等垂直吊升或提升到设计位置，临时固定后，进行条块间的连接与调整。由于结构为半球型，底部环形网格等分为12份，每一条块跨越三个支座，外层高两个网格。第二个阶段为微型吊具高空散装法。在地面上将网架拼成许多小单元，利用吊车或安装在网架上的微型吊具，吊到设计的位置，由高空作业人员完成节点的连接。

施工工艺流程：制作—运输—现场验收—分块组装—测量尺寸—分块吊装—条块之间连接—复核尺寸、校正调整—地面拼装小单元—微型吊具高空散装—防火漆涂装—竣工交验。

此方法的特点是大部分焊接、拼装工作在地面进行，有利于保障工程质量，不需要较多拼装支架，有利于节省成本和搭建、拆除脚手架的时间，有利于缩短工期。但是分条分块安装法仍有一定的高空作业量，对作业人员技术、经验要求高。安装过程中需要控制安装偏差，如果偏差过大，超出设计、规范的允许范围，就会影响施工质量和安装速度。所以应不定时随机抽查节点，测量其水平偏差及挠度值，一旦发现问题，及时采取措施整改。在网架安装时，确保每根杆件的高强螺栓拧紧，尤其是安装悬挑部分的网架，防止悬挑部分的网架由于自重，高强螺栓未拧紧使套筒端面与螺栓球上螺孔端面产生间隙，从而悬挑部分的网架产生较大的挠度变形。为了保证高强螺栓拧紧，当起重设备把地面上拼装完成的小单元起吊到高空设计位置时，必须在高强螺栓拧紧后松开吊钩。