全球最大跨度料场封闭工程设计与施工 ——北京首钢国际工程技术有限公司成功实施单跨245m料场封闭项目

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2020年10月25日，北京首钢国际工程技术有限公司总承包的首钢京唐球团料场改造封闭工程最后一张彩板安装完成，标志着目前全球最大跨度的料场封闭项目顺利竣工。该项目单跨净跨度达到245m，长度650m，高63.228m，内设4条机械化料堆，中间不允许设置立柱。由于业主生产要求，施工中不允许停产且场地有限，因此采用累积滑移法结合逆向滑移技术进行施工，施工难度非常大。该项目为首钢京唐环保创A工程，时间非常紧张，同时克服了新冠疫情的影响，从2020年4月2日打下第一根桩，到2020年10月25日竣工，总工期207天，施工进度创造了同类工程新纪录，确保了首钢京唐环保创A成功。

1 超大跨度封闭料场结构设计

1.1结构选型

对于超过150m的超大跨度结构，由于结构内力大，构件尺寸大，螺栓球 架结构适应性较差，因此一般采用预应力管桁架结构。

首钢京唐球团料场改造封闭工程每榀桁架间距15.9m。预应力管桁架结构采用两端铰支的拱桁架，拱桁架为三角形立体桁架，桁架宽度5.0m，跨中厚度约5.48m、拱脚附近最厚处约8.6m。为减小拱脚推力，在满足斗轮机操作空间的前提下，在约37.2m标高处，设置平衡钢索并施加预应力，剖视图见图1。为保证拱桁架稳定，在拱桁架之间设置纵向次桁架及支撑系统。

1.2结构稳定性设计

预应力管桁架所采用的杆件截面为圆钢管。圆钢管为对称截面，抗扭刚度大，但是其抗弯刚度较弱。杆件承载力设计遵守GB50017-2017《钢结构设计标准》、JGJ7-2010《空间 格结构技术规程》（以下简称《空规》）、CECS 280：2010《钢管结构技术规程》及JGJ/T249-2011《拱形钢结构技术规程》。对于此类超大跨度结构，应进行整体稳定性验算。结构整体稳定性分析可同时考虑几何非线性和材料非线性，也可采用不考虑材料非线性而只考虑几何非线性的单非线性分析。《空规》规定：当按照弹塑性全过程分析时，安全系数K可取为2.0；当按弹性全过程分析，安全系数K可取4.2。对于初始几何缺陷的确定，《空规》建议可采用结构的最低阶整体屈曲模态，并将节点位移最大值取结构净跨的1/300，其他各节点位移根据最大位移点进行同比例放大。

利用弧长法进行整体结构的弹性全过程分析，考虑了最大节点初始几何缺陷为结构跨度的1/300，取重力作用下的位移模态作为初始几何缺陷分布，从结构失稳后整体位移形态及极限状态下位移最大点的荷载-位移全过程曲线中可知，钢结构部分极限承载力为恒载+活载的7倍。

考虑了钢结构和钢索的弹塑性。结构在受到恒荷载+活荷载作用下，从结构失稳后整体位移形态及极限状态下位移最大点的荷载-位移全过程曲线中可知，在考虑钢材的弹塑性后，钢结构部分极限承载力为恒载+活载的2.5倍。

1.3风荷载分析

预应力管桁架结构等超大跨结构风荷载敏感，且周边存在其他建筑物，建筑物之间存在明显的干扰效应，因此，必须通过风洞试验，研究结构表面的风荷载分布特征。

风洞试验在石家庄铁道大学风工程研究中心STU-1风洞实验室低速试验段内进行。试验定义来流以垂直于料棚长轴方向为0°风向角，以角度10°为间隔逆时针旋转，共进行了36个风向角的测试。

1.4关键节点分析

对于重要及复杂的杆件连接节点，需要单独对节点局部区域的杆件应力进行有限元分析计算。通常的处理方法是将其从宏观模型中取出，单独进行精细化的有限元分析，考虑更多的结构细节，为结构设计提供依据。本工程采用MIDAS对需分析的节点采用Shell单元进行节点详细建模，而节点模型隶属于整体结构，一同计算分析节点Shell单元与整体模型的杆单元，得到精确的分析结果，即在统一的模型下进行结构的多尺度建模计算。

2 超大跨度封闭料场施工

工方法应根据结构类型、受力形式、场地情况，在确保质量、安全的前提下，结合施工进度、经济及施工现场技术条件综合确定，其方法主要有整体吊装法、折叠展开法、累积滑移法等。对于复杂项目，亦可采取多种方案组合使用。首钢京唐球团料场封闭项目在场地有限的情况下，采用了累积滑移法，结合结构逆向滑移技术，确保了项目的顺利进行。在施工组织实施中，既要保产又要抢进度，因此分成两个标段，两家施工单位从料场两端向中间推进。该方案有效地利用了作业场地，实际实施过程中，两家施工队伍互相展开作业竞赛，充分调动了两家钢结构分包单位的积极性。本项目采取地面拼装，设置胎架高空合拢，累积滑移加逆向滑移的施工方案，显著提高了施工进度。

2.1滑移轨道设置

料场沿A/B轴线设有挡墙，施工中将挡墙兼作滑移墙，在滑移墙顶部设置滑轨，并保证滑轨顶部平整。滑移轨道选用50kg/m铁路用热轧钢轨，并与滑移墙顶部预埋件焊接，滑移施工完毕后，拆除滑移轨道。

2.2地面拼装及分段吊装

前期工作准备完毕后，每榀主桁架安装按照以下工序进行：构件进场→地面拼装→分段吊装→中间段起吊合拢→安装预应力拉索→完成张拉。

2.3液压顶推技术

滑移采用计算机同步控制的液压顶推技术，其工作步骤如下：1）爬行器夹紧装置夹紧滑移轨道，爬行器液压缸前端活塞杆销轴与滑移构件（或滑靴）连接；2）爬行器液压缸伸缸，推动滑移构件向前滑移一个行程（300mm）；3）爬行器一个行程伸缸完毕后，滑移构件不动，爬行器液压缸缩缸，使夹紧装置松开滑移轨道，拖动夹紧装置向前移动；4）爬行器一个行程缩缸完毕后，拖动夹紧装置滑移一个行程。一次爬行推进行程完毕。

按照上述步骤如此往复，使构件滑移至目标位置。

2.4累积滑移法施工

以1~21轴线温度区段为例，根据施工方案，依次在7轴线完成HJ-21，6轴线完成HJ-20，并安装HJ-20~HJ-21之间的次桁架及斜拉杆。利用液压顶推技术，将HJ-20~HJ-21向右侧滑移15.9m，将HJ-21移至8轴线，继续在6轴线完成HJ-19，并安装HJ-19~HJ-20之间的次桁架。反复执行上述方法，完成HJ-10~HJ-21及之间的次桁架，并将HJ-10滑移至7轴线处，此时HJ-21停留在18轴线。

在6轴线~7轴线之间完成HJ-9，HJ-9与HJ-10间隔6.5m，并在主桁架上弦杆之间增设临时11道支撑系杆φ180mm×8m，HJ-9~HJ-21整体向右滑移6.5m；之后拼装HJ-8并增设临时支撑，将HJ-8~HJ-21整体向右滑移6.5m；以此类推，直至HJ-21滑移到目标位置21轴线，而此时HJ-3停留在7轴线处，在6轴线拼装HJ-2，并安装HJ-2~HJ-3之间的次桁架。自此，除山墙桁架SQHJ-1外，其余所有主桁架均完成拼装，并形成一个稳定的整体，如图2所示。

2.5逆向滑移法施工

为保证逆向滑移法的正常实施，提前将 HJ-2与HJ-3形成了稳定的滑移体系，此时断开HJ-3与HJ-4之间的临时支撑，结构两边始终为稳定的滑移体系。将HJ-2~HJ-3向左边逆向滑移，直到HJ-3与HJ-4之间的距离达到15.9m（主桁架间距），安装之间的次桁架，此时HJ-2~HJ-4形成整体。

以此类推，断开HJ-4与HJ-5之间的临时支撑，将HJ-2~HJ-4向左边逆向滑移，直到HJ-4与HJ-5之间的距离达到15.9m，安装之间的次桁架，直至HJ-2~HJ-21形成整体，所有主桁架位于目标轴线。最后，安装山墙桁架立柱，将其作为胎架，采用地面拼装、分段吊装合拢的方式完成山墙桁架SQHJ-1与HJ-2的连接，主体结构封闭完成。

3 结语

北京首钢国际工程技术有限公司作为钢铁企业的全流程技术供应商，深刻认识到保护环境、实现可持续发展是21世纪钢铁工业面临的最大挑战。原料系统采用全封闭料场，可最大限度地减小粉尘排放，是实现源头消减污染，创造一流社会效益、环境效益和经济效益的重要手段，也是钢铁企业未来发展的必经之路。在激烈的市场竞争中，首钢工程积累了大跨度料场封闭设计的丰富经验，并对料场大跨度空间结构进行了体型优化和创新，使得料场结构设计满足“安全、合理、先进、经济”的要求，并具有广泛推广应用价值。

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