建筑技术丨大跨度Y形中柱封闭料场空间结构设计与施工

随着我国经济高质量发展和居民生活水平的提高以及国家相关部门对节能环保的重视，各类料场有更加严格的要求。料场封闭大多采用网壳结构，具有自重轻、受力合力、跨度大和施工难度高等特点。针对现有的技术存在的问题，以安徽芜湖市某铸管综合料场为例，对其Y形中柱预应力双跨管桁架体系与液压同步滑移技术进行介绍。

1 封闭料场常用体系和施工方法

目前，封闭料场常用体系主要包括拱形预应力张拉张弦桁架结构、拱形预应力张弦网壳结构、拱形预应力索杆桁架结构及门形预应力张弦桁架结构。国内外料场结构常用的施工技术有高空拼装法、滑移施工法、整体吊装法、整体提升法、整体顶升法和折叠展开法等。

2 封闭煤棚结构选型

2.1 工程概况

项目总面积约124300m²，为厂内烧结、高炉供料的机械化综合料场。该综合料场堆料最高约15m，平面尺寸约337.3m×316m。如图1~图2所示。

图1 工程示意

图2 滑移区域划分

2.2 结构体系选择

2.2.1 预应力张弦桁架结构

（1）优点：结构体系跨度大，目前有已建成项目超过300mm；结构内无混凝土支撑柱，使得内部储物空间大，不会影响机械设备运行；预应力拉索的拱形结构+侧向桁架支撑的构造，结构整体稳定性好。

（2）缺点：桁架结构节点通常采用焊接，需要对焊接收缩进行控制，对焊缝质量要求较高。对不同内力的杆件需要采用外径相同、壁厚不同的钢管，且壁厚类型不宜太多，在弦杆方向壁厚尽可能相同，避免结构整体用钢量过大。

2.2.2 预应力张弦网架结构

（1）优点：结构整体空间受力，整体刚度大，跨越能力大，可承受不同方向的荷载；技术成熟，已完成项目实例多；施工安装较简单，难度小；杆件类型单一，利于加工。

（2）缺点：由于网壳结构杆件连接较紧密，整体性强，在预应力张拉时，相邻索间通过密集杆件的传递，对邻近索力影响较大，施工过程复杂，需多级张拉；当结构跨度较大时，需采用焊接球节点，现场焊接节点数量多，对焊接质量要求高，需大量的人工。

2.2.3 预应力索杆桁架结构

（1）优点：下弦索与上部桁架通过V字形撑杆连接成一个整体，能抵御较大的风荷载；在风压较大的地区，能有效降低结构用钢量。

（2）缺点：下弦索在V字形撑杆间的索力分配不均，因此在施工工程中对索力张拉难度较大，同时对索力的监测与测量难度较大。

2.2.4 门形预应力张弦桁架结构

（1）优点：较拱形预应力张弦桁架结构，其空间利用率更高；结构承载能力高，荷载作用下变形小。

（2）缺点：结构在肩部位移承受的局部弯矩较大，会导致肩部位置截面过高、腹杆过长，不利于长细比的控制；结构承受的水平风荷载较拱形大，结构整体的抗侧刚度较低。

通过上述4种结构类型对比，并结合工程实际情况，最终选择主体为拱形预应力管桁架+Y形中柱这种结构体系。由于封闭料场跨度较大，若不采用Y形中柱将桁架分成两块，拉索与桁架中间的V字形撑杆的尺寸较大，不仅会急剧增加结构的用钢量，也会降低结构稳定性。

2.3 项目结构体系说明

主体大棚采用预应力管桁架+Y形中柱的结构形式，平面尺寸为跨度330m，纵向轴距30m；主跨共9跨，东西山墙各一跨；大棚最高点60m；主跨跨中设管桁架Y形中柱，中柱高度48m，中柱以下12m为钢筋混凝土柱；九榀主桁架Y形中柱两侧对称设预应力拉索，主桁架之间的联系桁架，采用刚性连接与柔性连接两种形式，间隔布置，柔性连接设置拉索，屋面设置水平拉索；主桁架柱脚及中柱柱脚支撑方式均为“球铰支座”；围护结构主檩条采用方管，次檩条采用C形镀锌檩条；封闭板型YX24–210–840，采用0.7mm厚镀铝锌氟碳漆彩色压型钢板，铁石灰色513，采光板采用2mm厚FRP采光板。

2.3.1 管桁架主要结构形式

预应力拉索钢管相贯桁架结构，可分为主桁架、山墙桁架和联系桁架三部分。

（1）主桁架主跨桁架下部中柱两侧对称设置预应力张弦索，通过V字形撑杆相互连接，张弦索与钢桁架共同作用，形成多阶次预应力结构体系，从而降低钢结构内力峰值，调整结构内力合理分布，增加结构刚度，如图3所示。

图3 主桁架示意

（2）山墙桁架由主桁架、墙桁架柱、墙桁架梁组成，如图4所示。

图4 山墙桁架示意

（3）联系桁架共设置227榀，分为不带拉索和带拉索的次桁架，其中，带拉索的次桁架共66榀，不带拉索的次桁架共161榀如图5所示。

（a）                     （b）

图5 联系梁示意

（a）不带拉索；（b）带拉索

2.3.2 结构安全验证

为了验证结构体系的安全性，采用midas Gen软件对该工程进行1∶1数值模拟，分析如下。

（1）部分跨张拉完成。该结构体系在施工完成部分跨时，位移最大在拉索位置为31mm，索内力最大为1411kN，钢桁架应力最大为83MPa，均满足钢结构设计规范要求。

（2）整体张拉完成。该结构整体施工完成后，位移在两端最大为52mm，索内力最大为1648kN，钢桁架应力最大为132MPa，均满足钢结构设计规范要求。

3 封闭料场施工方法选择

3.1 施工方法对比

（1）高空拼装法：高空拼装法对施工设备的要求较简单，它仅需要一般的起重设备和扣件式钢管脚手架就可以进行高空安装作业。但除了使用支撑架作为支撑结构域外，还需要使用安装架进行散件的安装，同时存在高空作业多、施工工期长等缺点。

（2）整体提升法：整体提升法虽然可以避免在高空安装整体结构的时间和难度，减少使用脚手架、支撑架和胎架结构的费用，是一种提高效率的方法。但该方法对设备提升和对提升工程中的误差检测、同步空间技术等要求较高，并且由于需要提升整个结构，要有满足提升设备架设的场地和提升的土质。

（3）整体顶升法：整体顶升法跟整体提升法非常相似，不同之处在于整体顶升法的顶升设备在结构的下方，使得对于场地的需求没有整体提升法高。

（4）滑移施工法：由于桁架结构属于平面受力结构体系，因此桁架的刚度很好，只要面外的刚度得到保证，就可以采用滑移法。滑移法分为单片滑移和累计滑移，单片滑移的优点是牵引需要的力较小，所以牵引设备简单，缺点是补空后安装构件数量较大；累计滑移的优点是结构整体稳定性较单片滑移要好，后装构件少，缺点是需要牵引力较大且同步性好，对牵引设备要求高。

因为结构整体最大安装高度达到55m，平面尺寸较大，结构自重较大，且杆件众多。若采用常规的分件高空散装方案，需要搭设大量的高空脚手架，不但高空组装、焊接工作量巨大，且存在较大的质量、安全风险，施工的难度较大，方案的技术经济性指标较差；若采用整体提升或顶升的方法，施工现场无法提供足够的场地用于设备使用，具体如图6所示；最终根据以往类似工程的成功经验，本工程采用整体液压累积滑移的方法。

图6 施工场地限制示意

3.2 滑移方案选择

通过对比上述几种施工方法，最终选择采用滑移方法进行施工，但是对于如何滑移有两种方案，第一种将桁架分为4部分分开滑移；第二种一榀桁架同时滑移。通过从结构的安全和工期方法对两种方案进行研究。主桁架分段示意如图7所示。

图7 主桁架分段示意

3.2.1 分部滑移

第一步：吊装第一段到确定位置处。第二步：在第二段两端设置滑移轨道，滑移第二段。第三步：在第三段两端设置滑移轨道滑移第三段。第四步：再吊装第四段。如图8、图9所示，结构的Z向位移与钢结构应力。在滑移过程中第一段最大位移为2.53mm，第二段最大位移为28mm，第三段最大位移为27mm，第四段最大位移为2.67mm；钢桁架第一段最大应力为23MPa，第二段为106.75MPa，第三段为位移104.65MPa，第四段为 23.33MPa。位移与应力均满足钢结构设计规范要求。

（a）                     （b）

（c）                   （d）

图8 分部滑移各段位移（mm）

（a）第一段Z向位移；（b）第二段Z向位移；（c）第三段Z向位移；（d）第四段Z向位移

（a）                  （b）

（c）                 （d）

图9 分部滑移各段应力

（a）第一段应力；（b）第二段应力；

（c）第三段应力；（d）第四段应力

3.2.2 整体滑移

将4段安装成整体，在第一段、第二段和第三段底部设置共3个滑移轨道，整体滑移置确定的位置。整体滑移过程中，结构最大位移为28mm，应力最大为106.7mm。位移及应力均满足钢结构设计

规范要求。由分段与整体滑移数据可知，两种方法在滑移过程中均满足规范要求，采用分部滑移操作简单，但滑移工期较长。整体滑移则与分布滑移相反。综合项目各项因素考虑，选择施工期短的整体滑移法。

3.3 项目滑移方法说明

根据本工程现场施工条件和结构的外形特点，采用钢结构累积液压滑移安装的施工工艺。

3.3.1 液压滑移原理

“液压同步滑移技术”采用液压爬行器被用作滑动驱动装置。液压爬行器是一种组合式结构。所述液压尖头一端连接所述滑移轨道，另一端以铰接点的形式连接所述滑移轮胎或构件，中间由液压缸驱动。

3.3.2 滑移步骤

根据本工程场地局限情况，支撑胎架布置在H轴、J轴线，因此，11条轴线，只对B轴、C轴、D轴、E轴、F轴、G轴、H轴7条轴线滑移，每次滑移一个纵向轴距30m，最长滑移距离为150m。

（1）第一步：在支座轴线方向布置4条滑移通道在H轴和J轴布置支撑结构，并在支撑结构上空拼装B轴、C轴的主桁架和次桁架。

（2）第二步：在4个滑移通道上各安装一台液压爬行器，将第一步安装完成的部分向A轴方向滑移60 m；在K轴上安装在轴主桁架及D轴与C轴间的次桁架、檩条、索等。最后，在D轴桁架下方4条滑移通道上各布置一台液压爬行器。

（3）第三步：将第二步安装完成的部分向轴方向滑移30 m，并在H轴上安装在E轴上主桁架及C轴与D轴间的次桁架、檩条、索等。

（4）第四步：将第三步安装完成的部分向A轴方向滑移30 m；在H轴上安装安装在F轴上主桁架及F轴与E轴间的次桁架、檩条、索等。最后，在F轴桁架下方4条滑移通道上各布置一台液压爬行器。

4 结论

通过对安徽芜湖某封闭料场的结构选型和施工方法进行讨论与研究，得出结论如下。

（1）通过对4种结构类型的对比，最终确定“拱形预应力管桁架+Y形中柱”结构体系。结构体系内力合理分布、用钢量少、经济性能好。

（2）通过综合比较结构施工过程中施工安全、施工场地条件、施工工期和施工成本等因素，最终选择采用累积滑移法施工。根据工程竣工后总体复盘分析，累积滑移法是非常适合此类结构类型的施工方法。