（沈阳科维润工程技术有限公司，辽宁沈阳 110166）

0.引言

我国各类企业料场的物料在早期大多采用露天存放的形式[1]，在三级以上大风天气时出现粉尘满天的现象，不但造成大气环境污染，而且扬尘会导致物料的大量流失，给企业带来巨大的经济损失。针对露天料场的环境污染问题，对料场进行棚化封闭势在必行。

料场封闭的特点是跨度大、施工难度高、工期要求紧，另外料场的封闭大多采用网壳结构[2]，围护材料选用传统的金属屋面板，此种建筑结构存在施工周期长、高空作业多、采光性能差等缺点，尤其是金属屋面板的抗腐蚀性能差，导致建筑结构在其全生命周期中的维护次数多、维护费用高。针对现有技术存在的问题，本文以南方某钢厂综合料场封闭项目中的混匀料场为例，提出一种大跨度空间桁架拱骨架膜结构，分析并阐述这种结构的设计、施工的性能和特点，以及这种新型结构在料场封闭工程中的优势和应用前景。

1.项目概况

南方某钢厂综合料场包含2个一次料场、1个高炉料场、2个混匀料场、1个熔剂料场，料场长度均为400m，混凝土短柱高度均为2.5m，总建筑面积约21万m2，其中一次料场跨度均80m，内部均设有4台半门式刮板取料机和2台天车堆料机；高炉料场跨度90m，内部设有3台斗轮式堆取料机；混匀料场跨度均为108m，内部均设有2台桥式斗轮混匀取料机和1台桥式堆料机；溶剂料场跨度64m，内部设有1台门市刮板取料机和1台桥式堆料机。综合料场主要用于满足年产1000万吨铁水的球团、块矿、焦炭、粉矿、生熔剂、混匀矿等原燃料供料。

2.结构设计

2.1 结构选型

根据料场的工艺特点和参数，以及国内外料场封闭结构形式的对比和论证[3]，在满足工艺需求的前提下，选用骨架膜结构作为料场封闭的结构形式，其中骨架为结构的受力体系，而膜材只作为围护材料，本项目骨架采用的是东北大学设计研究院（有限公司）开发的模块化空间桁架拱结构体系，膜材采用进口PE膜材。

所谓空间桁架拱结构是由主桁架拱、次桁架、支撑体系组成的空间结构体系。其中混匀料场主桁架的标准柱距为6m，主桁架拱的内弦半径为64.5m，桁架高度为2.7m，次桁架的间距为6.6m。考虑到温度对结构的影响，将料场分为3个温度区段，在每个温度区段设有12道水平支撑，其中1个温度区段的结构力学模型如图1所示。

图1 结构力学模型

2.2 荷载分析

结构主要承受的荷载有恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载和地震作用，本次设计考虑的荷载参数有：屋面恒荷载0.1kN/m2；屋面活荷载0.3kN/m2；基本雪压0.4kN/m2；基本风压0.35kN/m2；设防烈度为6度（0.05g），设计地震分组为第一组。

2.3 结构分析

结构计算分析程序采用3D3S空间钢结构系统，计算假定：计算模型中主桁架拱与混凝土短柱基础采用铰接支座连接，主桁架拱的弦杆和腹杆采用钢结连接，主桁架和次桁架之间采用铰接连接，水平支撑和主桁架拱、次桁架之间均采用铰接连接。屋面荷载均以线荷载形式施加于主桁架拱的上弦。

经分析，结构轴力最大值为890kN，最小值为-693kN；最大位移值为67.9mm，挠度为1/1590；最大强度应力比为0.769，最大平面外稳定应力比为0.828，最大平面内稳定应力比为0.574，上述结果表明，结构的承载力满足设计要求，具有很好的强度和刚度。

2.4 结构模块化

为了便于结构体系的制作和安装，主桁架拱和次桁架均采用模块化设计，其中混匀料场1榀主桁架拱由5个中部桁架模块和2个端部桁架模块组成，中部桁架模块之间通过法兰盘和高强螺栓进行连接，端部桁架模块一端与中部桁架模块通过法兰盘和高强螺栓进行连接，端部桁架模块另一端通过销轴与钢筋混凝土短柱基础进行连接。2榀主桁架拱之间由19个次桁架模块跟主桁架拱之间用高强螺栓连接。这种模块化的设计即满足了结构计算假定的同时，又可实现各个模块在工厂预制加工，为施工提供了便利。

3.施工方法

空间桁架拱结构采用模块化设计，高强螺栓连接的方式，非常适合采用装配式的施工方法。其施工步骤如下：

第一步：单元体的拼装，将加工厂预制的各种标准模块运送到现场之后，将2榀主桁架拱的模块、次桁架以及支撑系统在地面组成7个单元体，单元体的划分如图2所示。

图2 单元体的划分

第二步：将单元体1及销轴铰支座安装在基础上，另一端用吊车缓慢放置地面上的临时平台上。

第三步：为尽量减少高处吊篮作业，将单元体2与单元体1在临时平台上组对，拼装成组合体1。

第四步：拼接组合体3，方法同组合体1。

第五步：利用履带吊对单元体3、单元体4、单元体5在地面进行拼装，拼装成组合体2。

第六步：利用2台履带吊对拼装完成的组合体1、组合体3在非铰支座端挂钩，使非铰支座端提升张开，吊至安装位置；再用1台履带吊将单元体2吊运高于安装高度位置约1m处，将组合体3缓慢垂直下降至安装高度，再将两侧组合体1、组合体3同时进行合拢。

第七步：利用4台汽车吊机将作业人员送至待拼装节点处进行组合体1、组合体2、组合体3拼接安装。

以混匀料场为例，两个混匀料场总建筑面积约87000m2,上部钢结构及膜系统的安装施工周期仅为65d。可见，这种“乐高”式的装配式吊装法可使施工周期大大缩短，施工速度在建筑业中是罕见的。

4.结论

（1）大跨度料棚采用空间桁架拱骨架膜结构形式，不但能满足工艺使用要求，而且建筑外形美观大方，工程造价低，实现经济性和美观性的统一。（2）从结构分析结果可知，空间桁架拱骨架膜结构的力学性能良好，有很好的安全度及刚度，适用于大跨度结构。（3）采用模块化设计与制作，实现工业化生产，缩短生产制作周期，提高生产效率。（4）装配式吊装法，这种“乐高”式的施工方式，大大缩短了施工周期,减少高空作业，且无现场施焊作业，有效降低建筑结构的投资成本，可获得更好的经济效益和社会效益。