和建国际工程有限公司 上海 200032
摘要：随着国家能源结构不断调整，国内燃煤电站的建造以更高环保要求，更大的机组容量为特点，稳步有序建设。基于环保节能及运行自动化程度提升的要求，超大型的封闭式煤仓、煤棚全面取代传统的露天式煤堆场。本文以承建的一项目超大型煤筒仓为例，阐述悬索结构在高耸构筑物锥形顶壳施工中的应用，比较该种施工方案与传统满堂脚手架的技术经济性优势，并以此项目为基础，进一步分析悬索结构在类似工程中的应用条件。
关键词：悬索结构 高耸构筑物 锥形顶壳 经济分析
0.前言
为优化华中电网的能源结构，保障宜昌猇亭工业园区耗能及供热需求，华润电力投资兴建宜昌猇亭2×350MW热电联产电站项目。该电站项目采用超临界机组，并同时兴建环保配套设施。
从本项目设计开始，严格执行国家环保“三同时”规定，主动加大环保设施投入，提前执行新的2011版大气污染物排放标准（机组脱硫效率＞98%、脱硝效率＞80%、除尘效率＞99.92%），烟气二氧化硫、氮氧化物、粉尘排放浓度分别由400mg/m3、450 mg/m3、50 mg/m3直接降低至200 mg/m3、100 mg/m3、30 mg/m3。其中采用德国先进煤输送设备的超大型煤筒仓就是具体的环保投入措施之一，实现了煤质粉尘近乎零排放效果。本文重点阐述利用悬索结构施工超大型煤筒仓锥形顶壳，并对该施工方案与传统施工方案的进行经济比选，提炼出类似工程的判断依据，优化施工组织设计，提高技术可靠性和经济可行性。
1.项目概况
该项目输煤系统的筒仓由4座内直径33m筒仓相邻组成，库中心轴线分别为：2轴、5轴、8轴、11轴。筒仓基础为桩基，2.50m厚C40砼整板基础，基础顶标高-5m。筒仓库身结构形式为预应力钢筋混凝土筒体结构，高42.2m。库顶+34.40m至锥壳顶标高42.2m（7.80m）为钢筋混凝土锥壳结构。
图1：输煤栈桥筒仓平面布置图
筒仓圆筒部分在+30.40m至+34.40m处设置环梁HL1，梁宽950mm。筒仓锥体部分7.80m，呈圆台状，由上环梁HL2、辐射梁KL34.4-1、锥壳、顶板组成，上环梁HL2截面尺寸为2000×900；辐射梁KL34.4-1截面尺寸为1000×400，共32根；锥壳板厚400mm，顶板厚150mm。筒仓结构如图2所示。
图2：筒仓结构剖面图
1.1结构施工分析
根据项目的设计图纸，在该子项施工前期准备期间，组织公司的技术专家对输煤筒仓结构施工进行分析研究。该子项施工难点有以下几点：筒仓基础大体积混凝土施工；筒仓上部结构预应力混凝土滑模施工；筒仓顶壳圆锥形施工。
其中筒仓顶壳圆锥形施工的难度最大，原因如下：每个筒仓顶壳圆锥形投影面积为854.87m2，支模最大高度为41.6m，搭设跨度最大为33m且顶壳圆锥形平台施工荷载超过2KN/m2，经结构专业荷载验算达9.224kN/m。根据相关的管理规定[ 根据住建部（建质[2009]87号）《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》文件要求，（二）混凝土模板工程及支撑体系超过一定限额的应经专家论证评审后实施。]，综合项目的实际情况，该子项的施工列为质量安全重点实施项目，严格履行管理程序，实施有效控制。
1.2筒仓圆锥形顶壳施工方案比选
按照钢筋混凝土构筑物施工的技术要求，筒仓圆锥形顶壳施工的最大难度在于模板及支撑系统。如何保证模板施工及支撑系统的具备足够的强度和稳定性是解决问题的关键所在。
因此项目在项目施工前，首先是寻求钢筋混凝土圆锥形顶壳的替代方案，建议业主及设计方将预应力钢筋混凝土顶壳更换为钢结构或者其他空间结构，通过构件在地面拼装焊接，然后在42m层拼装的方式去规避高模板及支撑系统施工的难题。但经与设计方充分讨论，认为输煤栈桥筒仓是储存与专业煤的关键部位[ 根据电力行业设计规范GB50229-2006《火力发电厂与变电站设计防火规范》中对防火区域等级的划分，煤筒仓区域火灾危险性分类为丙类，耐火等级为二级。]，对防火要求等级高，采用钢结构或者其他空间结构在防火要求上将会有更高的要求。同时采用与筒壁材质相同的钢筋混凝土结构，会保证项目整体性的协调，对项目整体形象也有良好的示范。再者，采用大跨度钢筋混凝土圆锥形结构，可在类似工程中实现开拓性的应用，对提升大跨度钢筋混凝土筒仓施工能力也有良好的助力作用。
故最终讨论的方案是维持初始设计，筒仓圆锥形顶壳采用钢筋混凝土结构施工。从技术和经济角度讲，钢筋混凝土结构较钢结构或者其他空间结构更为适宜煤筒仓，钢筋混凝土结构在防火性能上有其明显的优势。
2.施工方案比选
经充分讨论，最终明确筒仓圆锥形顶壳结构为钢筋混凝土结构后，如何解决钢筋模板混凝土的模板及支撑体系就成为施工前必须要解决的问题。为此，将传统的满堂脚手架模板支撑体系与悬索结构模板支撑体系进行分析，分析将着重从技术角度与经济角度两个方面展开。
2.1技术可行性分析及对比
2.1.1 满堂脚手架支撑体系技术特点
满堂脚手架模板支撑体系作为常规的也是应用范围最广的模板支撑体系，广泛的应用于工业与民用建筑混凝土施工中，积累了大量的施工经验和有益的做法。综合来讲，满堂脚手架具备以下几个特点
1)满堂脚手架支撑体系可适用性强，对于大多数结构的模板支撑，均可以采用；从普通的房屋建筑到特大型的桥梁结构，再到独特造型的地标性建筑施工，均可采用满堂式脚手架方式的模板支撑体系；
2)满堂脚手架所需杆件数量繁多、搭设时间较紧，对支架设计及搭设质量的要求较高；且要求从业人员的操作技能也要求高；
3)满堂脚手架要求地基稳定、均衡；随着搭设高度的增加，对支架地基的稳定性和均衡性要求更高；
4）满堂脚手架施工对脚手架的整体稳定性要求较高。满堂脚手架是采用脚手架管与扣件相互作用形成的空间结构合力来实现支撑作用的，要求每个扣件及杆件均具备相当的受力条件，若是出现薄弱环节，将从某一点迅速发展为撕裂式坍塌，造成重大的质量安全事故。
结合该项目的实际情况，满堂脚手架支撑体系从技术上满足施工条件，可以采用满堂脚手架做圆锥形顶壳混凝土的支撑系统。
2.1.2 悬索结构模板支撑体系的技术特点
悬索结构是由柔性受拉索及其边缘构件所形成的承重结构，主要应用于建筑工程和桥梁工程。其索的材料可以采用钢丝束、钢丝绳、钢铰线、链条、圆钢，以及其他受拉性能良好的线材。[ 悬索结构：https://baike.baidu.com/item/悬索结构]该项目仅在圆锥形顶壳施工支撑体系中采用悬索结构，利用其良好的力学性能充作上报脚手架支撑体系的地基部分。综合来讲，悬索结构具备以下特点[ 陈颖，悬索结构特点及主要形式，广州，广东广播电视大学学报，第11卷总第40期，79-80页]：
1）受力合理，节约材料
在悬索结构中，钢索在自重下自然形成垂度，由索中拉力与支持水平力间的距离构成的内力臂，增加垂度同时增加力臂，从而可以有效减少索中拉力和钢索截面面积。
2）施工简便
钢索自重较小，在安装时不需要大型的起吊工具，架设时较为方案。同时在架设之前，将锚具留置钢筋混凝土结构中即可满足强度要求。
3）布置灵活，充分利用空间
钢索能够多种多样的平面形状和外形轮廓，可很好的满足表达之需求。
综合该项目特点，即需在HL1以上部分架设满堂脚手架系统，以悬索结构作为上部支撑结构的地基承载部分，受力特点为由悬索承担所有上部荷载，并经悬索将竖向荷载传递至锚具乃至筒壁。从受力传递路径分析，悬索及锚具、筒壁等共同作用可满足受力要求，在技术上可以满足施工条件，因此悬索结构支撑体系也可以满足该项目的施工要求。
图3悬索结构支撑及锚具示意
2.2经济可行性分析及对比
从技术角度讲，两种方案均可以满足施工的要求。从经济可行性的角度再做分析，然后综合比较，最终确定实施方案。
从施工角度进行经济可行性分析，可从材料、机械、人工等因素进行整体考虑。由图3所示，两种施工方案的相同点是上部均采用满堂式脚手架支撑，模板体系也是完全相同，不同点在于上部满堂脚手架的受力传递方式，即两种方案比选最为根本点在于悬索面以下满堂脚手架与悬索面的本身的造价成本分析。故分析中的数据对比，均是按照悬索面以下满堂脚手架与悬索面本身施工的造价对比。
2.2.1 满堂脚手架支撑体系方案造价成本分析
根据满堂脚手架搭设规范，该部分支架高度为31.5m，宽度为33m,支架高宽比不大于2，且最大允许高度为33m，故根据相关规范查询，脚手架步距为0.9m，立杆间距为1.0*1.0m，其他布置均按照规范执行。经计算，31.5m以下满堂脚手架工程量如下表：
经测算，若是采用满堂脚手架施工，从开始搭设满堂脚手架开始到圆锥形顶壳完成，脚手架总人数为30人，需4个月时间。
则施工期间整体的费用计算为：
a.材料费（按照租赁市场价计算）：
表2：材料费用计算表
表3：人工费用明细
该部分费用之和为1,990,909.09元，则四个筒仓部分的施工总计为 7,963,636.36元。
2.2.2 悬索结构支撑体系方案造价成本分析
若是采用悬索方案，则成本应考虑材料费、人工费及设备费用等。经测算，悬索采用直径36mm的钢丝绳，按照800mm距离间隔布置。
表6：人工费用明细
故施工期间费用总计为324,170.00 元，则四个筒仓施工总费用为1,296,680.00元。
2.3 结论
经进一步分析，可知采用悬索结构做支撑体系较满堂脚手架在成本有显著的优势，仅为满堂式脚手架支撑体系的16%。因此从经济性上讲，采用悬索结构做支撑体系是非常合适的。
综述，以上是分别从技术与经济角度分别论述两种方案之差别，结论也非常明显。因此在实际的施工过程中也是采用悬索结构做支撑。但采用悬索结构最为重要是施工过程中安全控制，这将成为施工中需要尤为注意的问题。
3.悬索结构施工控制
3.1 施工顺序及荷载传递
既然在技术和经济方面，悬索结构都有良好的优势，但是保证施工过程中安全可靠，需进一步通过受力分析，并进一步验算方可实施。施工顺序如下：
→施工HL1到32.5m
→安装悬索
→施工剩余部分HL1
→施工辐射梁及HL2
→施工锥体斜板
→施工锥顶平台
→模板、支撑及悬索拆除
图5：施工顺序示意图
该施工顺序将决定了悬索部分荷载分布情况，每个施工工序对悬索结构的荷载都会产生重新分布，以达到最终的平衡状态。
图6：悬索结构施工完成后现场情况
（1）经计算工程量，分阶段确定荷载；筒仓直径33m，扣除壁厚及锚环长跨度l=32.10m，取矢跨比n=，中心悬索垂度f=n×32.1=6.42m，计算面积S=3.14×16.05×16.05=808.87m2。
（2）悬索选用6×37φ32钢丝绳，实际有效钢丝总截面积392.11mm2，抗拉强度为1.67kN/mm ，能承受的最大拉力为545kN。悬索的间距取800mm，沿环形均布置79根。具体布置图见图3和图4。
3.2 悬索受力复核
3.2.1悬索强度校核[ 沈世钊等，悬索结构设计，北京：中国建筑工业出版社，第二章第一节单索计算理论，第67-81页。]
根据现场实际施工情况，施工锥壳板时，由于锥壳板坡度较大，混凝土无法一次浇筑成型，故考虑分段分层逐级浇筑，同理施工时的荷载也应当分次加载。
故取施工KL34.4-1（1000×400）及部分HL2（施工至41.45m）时的荷载对悬索稳定性进行计算校核：
悬索的间距取0.8m，则每根钢索的所受最大线荷载为q=11.456kN/m2×0.8m=9.17kN/m
取跨度最大部位的悬索进行验算：
4.实施效果及评价
4.1 数据分析
根据前述方案中的数据，进一步分析悬索结构支撑体系与传统满堂脚手架支撑体系的差别。
单个筒仓的计算面积为808.87m2，采用满堂脚手架体系时，用钢总量约为500吨，折合单位用钢量为618.15kg/m2。该数据将会随着高耸建筑物的高度急剧增加，与高度和面积的乘积线性相关。
采用悬索结构做支撑体系，用钢总量为12吨，折合单位用钢量为14.84kg/m2,，该数据将会与面积线性相关。从用钢量指标评价，悬索结构用钢量仅为满堂脚手架用钢量的2.4%，效果非常显著。从相关的指标分析，随着高度的增加，悬索结构的优势将会越是明显。
这充分体现了悬索结构的技术优势，根据英国A.W.Butler于1972年对已建成的近二十个悬挂屋盖作的统计，当跨度不超过150m时，每平米屋盖的钢索用量一般在10kg以下。[ 沈世钊等，悬索结构设计，北京：中国建筑工业出版社，绪论，第1页。]因该项目非悬挂式屋架，上部有较大的施工荷载，故悬索用钢量超过10kg/m2，但无额外的钢索支撑结构，总体的用钢量也会进一步减少。
4.2实施效果
经科学组织施工及精确的受力分析计算，在施工期间通过合理有效的安全控制和检测手段，保证了项目的顺利实施，最终将设想变成为现实，并取得了良好的经济效益和社会效益。该项目获得“中国电力优质工程”及中国施工企业管理协会颁发的“2016-2017年国家优质工程奖”等两项重大奖项，为公司也创造良好的社会效益。
将悬索结构用于高耸式构筑物模板体系的支撑系统，是打破传统定式思维的良好实践，是以工程师思维解决工程问题的完美尝试和探索。目前将悬索结构也逐步的应用到施工行业的其他领域，如将悬索平台应用到大跨度不规则钢制屋架中的安全施工平台。[ 赵怀林，悬索结构在网架施工中应用的分析，中国金属结构施工，2013年第5期，153页。]随着对悬索结构这种结构形式的进一步研究，将会在施工中应用的越来越广泛。
5.应用前景
随着经济的发展，大跨度结构越来越多，传统的施工难度也越来越大，对于类似工程应有意识的采用悬索结构或者其他新兴的结构形式，这将从技术层面和经济层面都会有良好的效果。这对于提升建筑企业的施工技术水平有很好的示范效果，从技术角度进一步激发建筑从业人员创新潜能，提升企业竞争力。
参考文献：
1. 根据住建部（建质[2009]87号）《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》文件要求，（二）混凝土模板工程及支撑体系超过一定限额的应经专家论证评审后实施。
2.根据电力行业设计规范GB50229-2006《火力发电厂与变电站设计防火规范》中对防火区域等级的划分，煤筒仓区域火灾危险性分类为丙类，耐火等级为二级。
3.悬索结构：https://baike.baidu.com/item/悬索结构
4.陈颖，悬索结构特点及主要形式，广州，广东广播电视大学学报，第11卷总第40期，79-80页
5.沈世钊等，悬索结构设计，北京：中国建筑工业出版社，第二章第一节单索计算理论，第67-81页。
6.沈世钊等，悬索结构设计，北京：中国建筑工业出版社，绪论，第1页。
7.赵怀林，悬索结构在网架施工中应用的分析，中国金属结构施工，2013年第5期，153页。
论文作者:王寿和1,张军2
论文发表刊物:《防护工程》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/4
标签：筒仓论文; 结构论文; 脚手架论文; 满堂论文; 体系论文; 圆锥形论文; 荷载论文; 《防护工程》2017年第36期论文;