综合料场钢结构罩棚方案设计

李军

摘要：以天津铁厂有限公司二料场综合混匀料场为研究对象，分析对比单拱单跨钢结构罩棚和单跨双跨钢结构罩棚，从结构安全性、工艺适应性和经济性三方面进行方案优选和分析。确定料场钢结构罩棚的初步设计方案。结果表明：在满足料场存储、堆取料等工艺前提下，采用设立中柱的单拱双跨钢结构罩棚可以大幅度降低混凝土及屋架用钢量，可以确保结构的稳定性，大大节省了项目的投资费用。

关键词：单拱双跨;封闭料场;优选方案;稳定性

1  工程概况

天津铁厂有限公司二料场综合混匀料场主要用于存放烧结矿、精粉、混匀料等原料，料场总面积约75000m2（平面尺寸约为600m×125m）。综合料场在建设时为露天开放性料场，料场作业时扬尘较大，污染严重，为了满足国家对露天料场存储料的环保要求，料场需时刻覆盖料堆，给堆取料造成很大困难，严重影响了正常生产，且覆盖料堆需要耗费巨大的人力物力，因此综合混匀料场封闭势在必行。料场现有2台堆料机，4台取料机，整个料场分割为两部分（图1）。料场内堆料机最大起升高度约为15.1m，封闭长度为570m，宽度为120m，两侧设1.5m高混凝土挡墙，屋顶和维护结构为彩钢板，罩棚两端设立大门，料场封闭考虑合理采光，雨排水设计为有组织排水，棚内设干雾降尘设施。

2  结构选型和布置

该料场东侧为混凝土挡墙，高出料场约13.5m，挡墙距离堆料机机尾约4m，西侧为上料通廊和混匀配料室（配料室长约105m，高约35m），配料室外墙距离取料机约1.4米。料场中间通道上，堆料机和取料机相错时最近处间距1.2m。整个料场被中间通道分为东西两个料条，每个料条各有1台堆料台机，2台取料机，两料条设备无交叉作业。因两侧原有建筑限制，罩棚封閉时需在东西两侧设置立柱，高出堆料机最高处和检修空间，顶面采用钢结构拱形网架结构，屋盖坐在支撑立柱上。在料棚初步设计中有两种方案可供选择，第一种：为单拱单跨（120m跨度）球型网架拉索结构，直接横跨两个料条。第二种：改动堆料机或取料机，增加中间通道空间，在两料条中间设立中柱，为单拱双跨球型网架结构。考虑堆料机最大起升高度和检修空间，总结构高度控制在32.7m左右。

2.1  方案优选

2.1.1  结构形式优选

本项目罩棚分别从结构安全性、工艺适应性和经济性三个方面对单拱单垮和单拱双跨结构方案进行优选分析（图2）。

结构安全性。单拱单垮结构，跨度为120m，网架结构需采用加强加大型材料加设拉索网架结构形式。这样两侧立柱将承受较大横向剪切力和拉力，立柱因此设计过大。此外，由于拱形网架矢高较低，拉索的效率更低，在风荷载控制组合作用下更容易出现拉索松弛现象，不利于结构受力，从而降低结构的安全性。拉索高度24米，拉索的预张及锚固需要有资质的专业队伍施工，使用期间需经常检测拉索的变形，如变形过大要及时调整，维护不方便。

单拱双跨方案，取消拉索，增加中间立柱，跨度减小一半，屋架设计降低几个等级，三排立柱支撑下结构更加稳定。

2）工艺适应性。经过前期试算，采用单拱单跨方案，两侧柱子无论采用混凝土柱还是钢管混凝土柱，截面规格尺寸过大且不经济，因屋盖反力增大，边柱规格需提高一个等级，截面尺寸接近2.5m×2.5m，大大占用料场空间，因料场东侧挡墙和西侧建筑限制，大型立柱安装困难。

综合混匀料场被中间通道分割为两个料条，中间道路为检修人员通道，大型机械无法通过，中间设立柱子后不影响人员通行，对料场整体存放料更不影响。通道东侧为取料机，西侧为堆料机，各自作业，互不影响，因此料棚中间设立柱方案利用率更高，且节省材料。

3）经济性。经初步对比，单拱双跨方案，改造缩短堆料机机尾费用约为20万元，但比单拱单跨方案用钢量节省至少15%-20%。此外，设立中柱，上部结构传至边柱的反力减小，边柱设计尺寸减少，土建部分用量也相应减少。经比较，中间设立中柱的单拱双跨结构综合造价成本相比单拱单跨费用至少降低10%。

从安全性、适应性和经济性三方面分析对比，最终确定本项目主结构采用单拱双跨球型网架结构。

2.1.2  边柱尺寸确定

在已选定单拱双跨方案中，考虑到东侧挡墙、西侧通廊限制、堆料机和取料机净空要求及体系受力特征，边柱采用圆柱钢管混凝土结构，是比较可行的方案。东侧挡墙距离堆料机机尾尺寸约为3.5m，因挡墙基础影响，柱子外侧距挡墙需相隔1.5m距离，堆料机工作时需和柱子保持0.6m-1m安全距离，边柱尺寸宽度确定为1m，考虑边柱主要承受横向剪力和拉力，故边柱采用抗剪抗拉强的圆柱钢管混凝土结构，直径为1m。西侧为通廊和配料室，通廊区域空间较大，边柱采用和东侧一样直径为1m的圆柱钢管混凝土结构。配料室为钢筋混凝土框架结构，其外墙距取料机1.4m，间距过小，经测算后，在配料室柱子上加设钢结构牛腿平台，牛腿平台中心和西侧柱子为同一轴线，配料室区域网架支撑在牛腿平台上，采用活动铰座连接，使罩棚结构和配料室分隔为两体，解决该段区域立柱问题（图3）。

2.1.3  柱高确定

考虑堆料机最大起升高度和检修空间，罩棚总高度控制在32.7m，拱底净高为24m，拱顶净高为28m。受场地限制，柱子截面尺寸最大确定为1m，柱子截面过小，当高度增加时，因其截面未达到抗压极限强度，由于屈曲（即稳定）将会破坏，故柱子设计最高为16m。为了满足罩棚空间要求，柱顶上部改为局部球形网架和屋盖连为一体，共同支撑屋架系统，满足结构体系要求（图3）。

2.1.4  中柱尺寸确定