大跨度轻钢门式钢架干煤棚的安装及应用
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【摘要】:本文结合工程实践，针对大跨度门式轻钢结构的特点，从结构选型、结构设计、结构安装及后期应用等几方面进行阐述说明。
中图分类号：TU228文献标识码： A 文章编号：
0引言
目前，轻钢结构以其用钢量少、造价经济、供货迅速、安装方便、外形美观、防雨抗震性好及维修费用低等，在国内得到了日益广泛的认可与应用。大跨度门式钢架作为轻钢体系之一多用于机库、小型体育馆、购物中心、厂房、仓库等类型的建筑中。在这类建筑中钢结构更以其结构自重轻，整体抗震性好，钢度要求低等优越于混凝土等其它结构类型。下面就华润电力（兴宁）有限公司新增干煤棚工程为例，浅谈大跨度轻钢门式钢架结构的安装及应用。
1项目工程概述
1.1项目工程的确定
该电厂原设计使用燃料为当地煤矿的煤种，属典型的坑口电厂，未考虑长期储备燃煤的因素，仅有一个存煤为2万吨的干煤棚。因矿难影响，当地煤矿已全部关停，导致90%的燃煤全部依靠汽车从外地运输，按照2台锅炉日耗煤量3000T计算，库存燃煤只够维持机组运行6.5天。本地气候特点雨水天气多，持续时间长，加之春节冬储煤及夏季台风期，都将造成煤炭供应紧张，增大缺煤停机的风险。为了提高抵御市场风险能力，确保充足的库存储备，降低雨季期间库存煤热值的损失及场地损耗，实现劣质煤与优质煤合理掺配降低燃料成本，满足机组用煤需求的目的，故在厂区增建一座设计存煤容量为5万吨的储备干煤棚。
1.2项目工程的选址
新增干煤棚选址利用厂区西南角一期工程征用的闲置空地，平面布置形式为L型，新煤棚东侧与老煤棚西侧连接，利用现有的两台推煤机进行转场。
2项目工程结构方案选择
2.1项目工程结构选择条件
该工程具有以下几个要素可供主体结构选型:
1) 煤棚的有效储量为5万吨，可利用场地面积约 10000m2。2) 煤棚内不设桥式抓斗起重机或斗轮机，利用现有的两台推煤机进行转场。3) 为便于卸煤及推煤机操作，煤棚跨度不宜过小。4) 造价经济，建设周期短。5）综合上述几点，新增干煤棚的结构选择只能是网架结构或者是大跨度轻钢门式钢架结构。
2.2网架结构形式分析
2.2.1 网架结构是由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的空间结构。具有空间受力、重量轻、钢度大、抗震性能好等优点；缺点是汇交于节点上的杆件数量较多，制作安装较复杂，施工工期长，工程成本较高。
2.2.2 网架结构根据外形不同，可分为双层的板型网架结构、单层和双层的壳型网架结构。板型网架和双层壳型网架的杆件分为上弦杆、下弦杆和腹杆，主要承受拉力和压力；单层壳型网架的杆件，除承受拉力和压力外，还承受弯矩及切力。目前国内的网架结构绝大部分采用板型网架结构。
2.2.3 网架结构按所用材料分有钢网架、钢筋混凝土网架以及钢与钢筋混凝土组成的组合网架，其中以钢网架用得较多。
2.2.4 网架结构的施工安装方法分两类：一类是在地面拼装的整体顶升法、整体提升法和整体吊装法；另一类是高空就位的散装、分条分块就位组装和高空滑移就位组装等方法。
a) 整体提升法：需足够大场地及起重设备。b) 高空散装法：需搭设满堂红脚手架。c) 高空滑移法：需搭设安装平台。
2.3大跨度轻钢门式钢架结构分析
2.3.1 轻钢结构是指采用变截面H型钢作门式屋架，Z型、C型冷弯薄壁型檩条、墙梁；压型钢板作屋面，墙面的轻型钢结构建筑体系。一般而言，大跨度的轻钢门式框架的构件或等截面或变截面比桁架系统更简单经济，一般跨度在50～80m为宜。门式钢架的整个构件横截面尺寸较小，可以有效利用建筑空间，从而降低结构的高度，减小建筑体积，在建筑造型上也较简洁美观，其次钢架构件的钢度较好，其平面内、外的钢度差别较小，为制作、运输、安装提供有利的条件。
2.3.2 门式钢架的结构形式多种多样。按构件体系分，有实腹式与格构式；按橫截面组成分，有等截面与变截面。轻钢门式钢架的橫截面一般为H型，少数为Z型；格构式的橫截面为矩形或三角形；按结构选材分，有普通型钢、薄壁型钢、钢管或钢板焊成。
2.3.3 门式钢架结构特点
a) 便于拆迁，可用于临时建筑，这是其突出的特征。b) 钢架可采用变截面，截面与弯矩成正比。除腹板高度变化外，厚度也可根据需要变化，上下翼缘可用不同截面，相邻单元的翼缘也可采用不同截面，充分做到材尽其用。c) 钢架的腹板可按有效宽度设计，允许失稳并可利用屈曲后强度。这样，腹板的高厚比可做得比按现形《钢结构设计规范》规定的大，即腹板厚度可比一般钢构件薄。d) 竖向荷载通常是设计的控制荷载，但当风载较大或结构较高时，风荷载是控制荷载。因结构自重很轻，地震作用不起控制作用，一般不需考虑抗震（少数情况除外），结构设计大为简便e) 支撑可做得很轻便。由于构件轻，支撑用张紧的圆钢即可满足要求，因钢腹板允许失稳，可将支撑直接连在腹板上，省去很多节点板。f) 钢架的侧间钢度用隅撑来保证。这不仅省去了很多纵向钢性构件（隅撑用料很少），而且由于隅撑间距较小，钢架构件的翼缘宽度可显著减小。g) 结构构件可全部在工厂制作，工业化程度高。结构单元可根据运输条件划分。单元之间在现场用螺栓相连，安装方便快速。基础简单，土建施工量小。
2.4项目工程结构方案确定
依据结构选型要素及网架结构与大跨度门式钢架结构特性比较，最终结构方案确定采用大跨度轻钢门式钢架，其优点表现为在以下几个方面：
1) 大跨度轻钢门式钢架结构选择合理的高度、跨度及最优柱距，可降低钢架单位用钢量，即经济又能满足生产工艺和使用功能。一般情况下，当柱高、荷载一定时，适当加大跨度，钢架的用钢量增加不太明显，但节省空间，基础造价低，综合效益较为可观。通过大量计算发现，当檐高6m、柱距为7.5m，荷载情况完全一致下，跨度在18-30m之间的钢架单位用钢量（Q235-B）为18-28kg/ m2，当跨度在21-48m之间的钢架单位用钢量为25-40kg/m2，当檐高为12m、跨度超过48m时宜采用多跨钢架（中间设置摇摆柱），其用钢量较单跨钢架节约18%左右。钢架的间距与钢架的跨度、屋面荷载、檩条形式等因素有关，当钢架跨度较小时，选用较大的间距，会增加檩条的用钢量是不经济的。钢架规范规定，钢架柱距宜为6m、7.5m、9m，最大可采用12m。经过大量计算发现，随着柱距的增大，钢架的用钢量是逐渐下降的，但当柱距增大到一定数值后，钢架用钢量随着柱距的增大下降的幅度较为平缓，而其他如檩条、吊车梁、墙梁的用钢量会随着柱距的增大而增大，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降而后又上升。因此，在一定条件下，门式钢架存在着最优间距。
2) 施工简单，缩短施工工期。采用网架、T 型屋架或格构式门式钢架，杆件多，焊接、安装工作量大，变形不易控制。采用轻钢门式钢架制作简单，拼接容易，焊接变形容易调整，可以采用自动焊。
3) 异地扩建电厂时便于拆迁，可循环利用提高经济性。
3项目工程结构设计及钢架吊装方案
3.1方案布置
建筑面积约9000m2，与原干煤棚相连，因场地限制，新建干煤棚为50M×60M 和 50M×120M。为50M 跨轻钢门式结构干煤棚，净空高度10.0m，建筑高度12.5M，柱距为10.0m、8.0m、7.0m三种，跨度总长94.0m，单跨距为50.0m、44.0m二种。共有门式钢架二十四榀，其中五十米跨距的十五榀，四十四米跨距的九榀。每榀钢架由二个立柱三个屋架梁构件组合而成，立柱与屋架梁及各构件之间以10.9S级高强度螺栓相连。
3.2结构计算方法及要点
门式钢架为横向受力体系，一般可取单榀钢架计算其强度、稳定性及变形，纵向水平力由钢架之间的支撑承担。本工程结构计算软件采用PKPM计算，同时采用TSSD进行校核，计算结果满足设计要求。梁端最大弯距1483.1kN.m，柱底最大轴力224.9kN，柱底最大剪力145.8kN，跨中最大挠度48.7mm，柱顶最大侧向位移47.7mm。
门式钢架计算往往由平面外稳定计算控制，为使平面内和平面外均衡地达到设计允许应力，在计算过程中务必控制梁柱平面外计算长度。柱脚采用铰接，柱脚底板与基础之间抗剪强度不够，需设抗剪键，具体做法在柱底板焊接[12 槽钢，待钢架安装调正后与柱脚混凝土浇筑一起。
3.3节点设计
一榀钢架共分5段其中立柱2根钢梁分3段，工厂制作，现场拼装，节点连接采用10.9 级M24 大六角头摩擦型高强螺栓，摩擦面的处理为钢丝刷除浮锈，摩擦系数按μ＝0.3 计算。
3.4基础设计
门式钢架为单向受力体系，结构自重轻，基础采用混凝土独立基础，基顶预埋螺栓，待安装时与钢柱连接。基础与基础之间设钢筋混凝土基础梁，用以承受基础梁至地面之间的挡煤墙重量，平衡基底负应力，同时能协调基础之间的不均匀沉降。
此工程跨度大，钢柱短，结构自重轻，柱脚与基础采用铰接连接，柱脚内力中剪力大，轴力小，基础形式宜采用独立偏心基础，偏心距e0＝0.5m，轴力由于偏心而产生的反向弯矩可以部分抵消剪力对基础底板产生的弯矩，减小了基础底板尺寸。
3.5立柱柱网布置
对门式钢架来说，其用钢量的大小（包括钢架本身及相应檩条的重量）。 是与柱距密切相关的，本工程采用常规经济柱距：10.0m、8.0m、7.0m三种，抗风柱柱距7m。
3.6梁柱截面选择
为节省用钢量，梁柱均采用焊接变截面H型断面，钢号为Q345－B。
3.7屋面材料选择
屋面墙面材料均采用0.476mm厚760型单层彩色压型钢板，屋顶设阳光板采光带。檩条为冷弯薄壁Z钢。屋面采用轻质建筑材料后，自重轻，安装简单，节省结构用钢量，有利于降低工程造价。
3.8钢架吊装方案
因跨度大，场地受限，本工程采用了现场拼装、分次起吊。施工流程如下：
a) 吊装钢柱钢柱安装基础放线并水平找正钢构立柱安装基础处理钢构立柱吊装钢构立柱之间水平系杆及拉杆第一次粗安装立柱整体调平调直及立柱基础灌浆钢构立柱之间水平系杆及拉杆第二次精安装。
b) 钢架梁整体拼装根据现场要求，在地面将3段钢架梁拼装成50m长的整体。随后起吊拼装中间50m的钢架梁，其与两端钢柱在空间拼装完成。在吊装施工中为了防止钢架梁在起吊过程中变形，吊装采用双机抬吊，二台16吨吊机分别在钢架梁的二边重心位置，利用横担将钢架梁吊离地一定距离(约0.5m左右)后，吊机停止起钩，然后分别调整二根横担上的四个五吨手动葫芦和钢架梁中间定位拉索，直至把钢架梁调平调正并保证钢架梁的总长小于安装立柱之间的跨距值10-20mm。确定无误后方可起吊，将钢架梁提升至超出安装立柱钢架梁连接板的100-200mm停止起吊，调整吊机使钢架梁中心与立柱连接板的中心重合。为了保证吊装的安全，吊装钢架梁时，应设置吊耳，吊耳应基本分别通过钢架梁重心的铅垂线。
c) 安装先从靠近山墙的有柱间支撑的两榀钢架开始。具体安装顺序为：第一榀框架吊装完即用缆风绳固定，第二榀吊装完即安装全部拉杆、檩条，形成第一空间单元及屋面体系。第二空间单元施工时，在安装拉杆、檩条的同时，同步安装支撑，以这两榀钢架为起点，向另一端顺序安装。
4项目工程组织管理
4.1项目工程的进度管理
1）施工进度计划审核。
a) 充分考虑各专业交叉施工的密切关系：在本工程中，钢结构施工与土建施工相互交叉、关系密切，因此计划编制需从充分考虑两者施工的相互关系的侧重点来进行。b) 充分考虑钢结构内部施工的协调：在土建施工进场的同时，钢结构的制作也要同步进行使钢构到位时间与土建具备安装条件吻合。c) 安排紧凑但留有余地：进度计划适当考虑大风、大雨和大型机械设备正常维修的时间。
2）施工进度计划的实施。
3）施工进度计划的检查与调整。
4）灵活运用考核、奖罚机制。
4.2项目工程质量管理
1） 确定项目质量目标 2） 审核项目质量计划 3）实施项目质量计划
4.3项目工程安全管理
1） 确定项目安全目标2） 审核项目安全保证计划 3） 实施项目安全计划
5结论
本工程钢架实际用钢量为35.31kg/m2，工程总造价为400万元，综合造价为445元/m2，相比钢网架结构600元/m2综合造价经济很多。大跨度干煤棚使用轻钢门式钢架的工程实例并不多见。根据以往经验，跨度较大时采用轻钢门式钢架将大大增加用钢量，普遍认为在大跨度结构中使用轻钢门式钢架是不经济的，考虑更多的是采用网架或T型钢屋架，即使采用钢架也往往采用格构式钢架。随着轻型屋面材料的发展，彩色压型钢板、加芯板等代替传统的钢筋混凝土屋面板，使在大跨度结构中使用轻钢门式钢架成为可能，其技术是可行的，结果也是经济的。干煤棚投入使用后，大跨度所带来的大空间，完全满足了煤场内各类机械设备的运作，实现了接卸、掺配、转场、储存一条龙作业，当年就完成了储煤预计目标，次年，加上露天煤场最高储煤量达到14万吨创历史新高，为实现公司2009年经营目标打下了坚实基础。
5.1大跨度钢架的安装建议
1）与一般钢结构系统相比，大跨度门式钢架的独特之处在于其缺少超静自由度。每一个构件及连接对整个结构都至关重要。任何一个构件的失效都会导致整个建筑的倒塌而造成人员伤亡及财产损失。总之，从工程设计、制作、安装的每一个环节严格把关才能保证结构的安全。
2）在风吸力作用下，屋面板系统在檐口处、建筑物的四角处受到特别大的风荷作用，其作用力是其余区域的2.23倍，属于屋面板系统的薄弱处，需特别加强，这一点往往不被施工安装单位注意，通常在檐口区域所有的紧固件需加密一倍，如属沿海地区则需加密2倍，以确保结构安全。本工程正是忽视了这一点，后期使用过程中薄弱部位屋面板多处出现松动，需二次处理。
5.2大跨度钢架的使用建议
1）根据煤棚实际情况做好区域功能划分，极大提高使用率。
2）设计出煤场内各类接、掺、转机械设备的合理固定路线，避免撞击钢架立柱。
3）设置堆料高度标尺，确定上限，避免钢架上部受到外力顶撞。
4）做好钢架的日常检查及时处理可能出现的结构隐患。