铝合金毂节点网架在全封闭煤场中的应用

贾光华，贾思然

(1.河北华电石家庄热电有限公司，河北 石家庄 050041；2.河南理工大学万方科技学院，河南 郑州 451400)

0 概 述

近年来，随着我国对环保要求的不断提高，许多燃煤电厂原有的露天煤场防风抑尘网已不能满足环保要求，需对露天煤场进行全封闭改造。目前，传统的改造方案是利用钢筋混凝土柱及轻型屋盖排架结构，或采用网壳结构，另外，还有采用圆形煤场、球形煤场等改造方案的。传统方案中的屋盖，一般采用大跨度的拱形桁架结构，以横向主桁架和纵向次桁架组成的骨架为主结构，在其上铺设冷弯薄壁型钢作为檩条，再在檩条上铺设单层彩钢板。檩条仅作为围护结构，不参与主结构的整体受力。受制于檩条的经济跨度，主桁架的间距，通常为8～12 m，对应的基础间距，为8～12 m，因此，难以充分发挥主桁架受力的潜力，基础成本的占比较大，施工工期长。在为某电厂露天煤场的全封闭改造时，采用了Free Dome轻型网架与张弦桁架组合结构的屋盖，减少了基础尺寸及数量，同时，也降低了基础施工的难度和造价，缩短了施工工期，可为全封闭煤场结构的设计方案，提供有益的借鉴。

1 原煤场结构

某电厂建有5座直径22 m的万吨级储煤筒仓，另有1个露天的条形煤场，用于卸存汽车来煤。煤场没有输煤机械，只有装载机、翻斗车等工程机械。煤场位于电厂运煤铁路线的北侧，煤场设有防风抑尘网，外形尺寸为200 m×72 m。对该煤场进行封闭改造，需拆除原煤场防风抑尘网、喷淋降尘装置等设施，基本上沿原防风抑尘网的基线，建设全封闭的煤场。

在封闭煤场的改造方案中，设置了桁架柱脚，煤场总长为160 m，柱脚的最大跨度，为70 m。并且，设置了9榀主桁架，桁架间距为20 m。桁架结构支座坐落于18 m高的混凝土柱顶，拱形结构的高，约为5.7 m，拱顶标高约为23.73 m。屋盖采用Free Dome轻型网架与张弦桁架组合结构。煤场的结构和布置，如图1、图2所示。

图1 改造方案中的整体结构

图2 整体结构的剖面图

2 轻型网架与张弦桁架的组合结构

2.1 Free Dome网架

2.1.1 网架技术及规范

采用的Free Dome网架设计，是引进美国某公司的专有技术，该项技术广泛应用于电力、冶金、矿山及民用建筑等需要构筑大空间的项目中，拥有良好的工程业绩。通过引进Free Dome网架整套技术，我国已完成了符合中国规范的技术转化。

在Free Dome网架的结构体系中，采用三角形网格为基本构型单元，可以方便地构建任意形状的空间曲面和自由形态。在完成设计的结构方案中，采用的钢管直径较为统一，整个结构简洁、轻盈，与传统网架相比，其整体外观效果更好，杆件的受力更为合理。

Free Dome网架节点是圆柱形带凹槽的铝合金毂节点，所有杆件均为两端压扁带凸榫的镀锌钢管。安装完成后，杆件端部凸榫与节点凹槽紧密结合，在圆柱形节点的两端，安装了盖板，通过螺栓压紧后连为一体。节点的连接，类似于20世纪80年代我国自行开发研制的装配式节点体系，为嵌入式毂节点，也与中国古建筑的榫卯连接有相似之处。在现场组装的网架，如图3所示。

图3 现场组装的网架

2.1.2 相比于传统网架的优点

(1)结构安全性更高

Free Dome网架节点的连接，采用压扁的镀锌钢管直接插入铝合金节点的连接方式。压扁钢管具有与钢管构件相同的抗剪能力，同时还具有一定的抗弯能力，节点的承载力大大增强。钢管与节点之间通过条形的齿槽连接，抗剪面大，连接可靠。节点区域材料的延性与高碳钢相比具有较大的优势，提高了承受疲劳荷载的能力。传统螺栓球网架构件与节点的连接属于铰接，只能传递轴向力，且螺栓在高温淬火过程中极易形成裂纹，存在安全隐患。Free Dome网架与传统网架相比，在安全性能上具有较大的提升。

(2)施工质量高

Free Dome网架结构的节点采用插入式连接，在节点两端安装盖板。如果钢管插入节点不到位，则盖板根本无法安装，整个结构体系也就无法安装完成。这种节点连接方式，可从装配工艺上保证节点的连接质量，避免了螺栓球网架装配上“假拧紧”问题。“假拧紧”是指在装配过程中，没有按照规范要求将高强螺栓拧紧。由此导致的螺栓球网架质量问题比较普遍，且难以在施工过程中杜绝，存在较大的安全隐患。

(3)安装更简捷

Free Dome网架的加工工艺简单，不用制作胎架，现场组装方便，采用镀锌钢管及铝合金毂节点等构件，不用刷漆，可快速地在现场进行安装。传统螺栓球网架的组成部件较多，除了正常的杆件加工外，还需加工杆件端头的锥头、锥头与杆件的焊接、螺栓球的锻造加工等。螺栓球节点的形状，如图4所示。对于焊接球网架的组装，需要配置专用的场地，且需制作胎架，所有杆件均需焊接于空心球上，焊接的工作量大，需经探伤、除锈、刷漆等多道工艺才能完成。已完成焊接的焊接球节点，如图5所示。

图4 螺栓球节点

图5 焊接球节点

(4)节点简洁且美观。

Free Dome网架结构的节点，采用新颖独特的铝合金毂节点，连接较为方便，网格的划分灵活多变，杆件的长度约为2 m，结构件的宽度，为一般在0.8～1.5 m。传统螺栓球网架和焊接球网架的杆件较长，节点也较大，相比较而言，Free Dome网架的结构轻盈且美观。

2.2 张弦桁架结构

在张弦桁架结构中，是在拱形桁架下设置预应力拉索，通过撑杆，将上部受压的拱形结构与下部拉索组合，从而形成了自平衡体系，可解决大跨度结构拱脚推力过大的问题，既提高了屋面钢结构的结构强度，又减小了下部混凝土支承结构的承受力，因而可减小基础尺寸，降低基础施工难度和造价，取得较好的综合效益。

近年来，张弦桁架结构在实际工程中得到越来越多的应用，如华电土右电厂封闭煤场(跨度192 m)、华电蒙能包头分公司封闭煤场(跨度197 m)等项目，均有较好的应用实例。张弦桁架的吊装，如图6所示。

图6 张弦桁架的吊装

2.3 结构方案的优势

(1)Free Dome网架可参与整体结构的受力，发挥其蒙皮效应，增强结构的整体性，并降低主桁架的内力，节省整体建造的用钢量。

(2)在张弦桁架之间布置Free Dome网架的方案，相比于檩条结构的布置方案，在外观上更漂亮，结构形式更加经济，节省用钢量，现场安装时的焊接工作量较少，加工和施工更加简便，可在地面拼装后，整片吊装，相比檩条的单根安装施工，效率更高。

(3)主结构的数量较少，可在短时间内集中安装，提高了安装效率。主桁架安装后，可同步安装各分区的Free Dome网架，缩短了施工周期。

(4)主结构节点的表面光滑，不易积存腐蚀性介质。主桁架杆件的截面厚度相对拱形桁架更大，更耐锈蚀。

(5)降低了土建的施工成本，因结构中主桁架的间距大，支座少，减少了基坑的工作量，施工工期更短。

3 应用效果

该封闭煤场的全长为160 m，按传统拱桁架间布设檩条的方案，主桁架间距一般为8～12 m，至少需14跨，主桁架至少需15榀，基础支座至少需2×15=30个。现采用Free Dome网架与张弦桁架组合的结构方案，主桁架的间距设计为20 m，共需8跨，主桁架共需9榀，基础支座共需2×9=18个，基础支座和主桁架的数量，可减少40%，降低了土建施工、钢结构制作与安装的成本。

由于布置了张弦桁架拉索和撑杆，降低了封闭煤场的净空，使堆煤高度受限，减少了封闭煤场的有效容积。

4 结 语

采用大间距Free Dome轻型网架与张弦桁架的组合结构，降低了拱脚水平推力，缩短了施工周期。因Free Dome网架可参与整体结构的受力，增强了结构的整体性，并降低主桁架的内力。但设置了张弦桁架后，使堆煤高度受限，减少了封闭煤场的有效容积，且存在作业时碰撞张弦桁架拉索等不安全因素，建议在张弦桁架拉索旁安装警示标牌，并按要求，严格控制堆煤高度，避免发生安全事故。