大跨度干煤棚的設計

張福明

(攀枝花攀鋼集團設計研究院有限公司，四川 攀枝花 617023)

四川旺蒼地處廣旺煤田的核心區，境內煤炭資源儲量近4億噸，攀成鋼旺蒼60萬噸焦化項目，預計投資7.8億元。該項目需建設一座114 m跨、外挑3.6 m、長95 m的干煤棚，柱距為19 m，柱頂標高為21 m，總建筑面積為11514 m2(圖1)。

圖1 干煤棚建筑

1 結構體系的確定

1.1 該地區主要設計參數2

基本風壓:0.35 kN/m;屋面積灰荷載、屋面活荷載:0.30 kN/m2;該廠房抗震設防烈度:6度;設計基本地震加速度0.05g;設計地震分組:第一組;建筑物場地土類別:Ⅱ類。

1.2 屋蓋系統

國內跨度大于100 m的建筑物較多，一般采用三種結構體系:分別為空間網架結構、空間網殼結構、單片桁架結構。但空間網架、網殼結構計算較為復雜，受溫度變化、支座沉降、焊接殘余應力及施工安裝影響較單片桁架為大，同時加工工藝要求比較高;單片桁架施工過程中自身穩定問題較為嚴重，施工措施費用很高。空間鋼管桁架體系除了解決使用時的穩定問題外，還主要解決施工過程中的穩定、安裝問題，降低施工措施費及安裝難度，對施工單位技術力量的要求相對與以上三種結構較為寬松，所以，屋蓋系統采用巨型空間鋼管桁架結構體系(圖2)。

圖2 鋼管桁架屋架

1.3 柱系統

對應于空間鋼管桁架，同時因工程要求柱距較大，故柱采用空間斜腹桿四支柱，既滿足豎向承重要求，又可較好地抵抗風荷載作用下水平變形(圖3)。

1.4 基礎

根據地勘資料，該廠房基礎采用獨立柱基或大直徑人工挖孔灌注樁，其中獨立柱基作用在強風化泥巖土層中，大直徑人工挖孔灌注樁作用在中風化泥巖或卵石土層中。

圖3 柱結構圖

2 空間鋼管桁架的設計計算及特點

2.1 空間鋼管桁架的設計計算

2.1.1 高跨比的確定

空間鋼管桁架的高度h要根據荷載大小和使用要求等綜合考慮，通常取h/L=1/20～1/13，對于輕型桁架，當靜載設計值q≤3.0 kN/m2時，h/L=1/15左右較為經濟，當更輕時，可取h/L=1/20～1/15。

2.1.2 內力分析

空間鋼管桁架是靜定的空間桁架，可簡化為平面桁架進行分析，把桁架上弦(下弦)的豎向(或水平)荷載分解到平面屋架上進行分析，屋面荷載都集中到節點上。然后用計算機按平面桁架進行詳細內力計算與分析，以此作為設計的依據.

2.1.3 撓度驗算

由于空間鋼管桁架往往跨度很大，因此需要進行撓度驗算，撓度容許宜取L/400，在制作時，應預先起拱。

2.2 空間鋼管桁架的設計特點

(1)空間鋼管桁架可簡化為平面桁架進行分析，內力計算簡單，傳力途徑明確。

(2)溫度等間接作用效應明顯。支座位移、溫度變化和地面運動等間接作用對大跨結構有一定的影響。例如溫度作用隨結構尺度的加長而產生柱中應力。

(3)它是空間結構，各個桿件之間互相起支撐作用，既是受力桿件也是支撐桿件，能夠充分發揮各個桿件的作用，整個屋蓋系統除設置少量系桿外，一般不需要其他支撐系統，這樣不但節省了鋼材，且施工簡便快捷。本工程設計用鋼量僅約70 kg/m2。

3 其他設計要點

(1)本工程整體結構可簡化為排架結構進行計算分析，柱采用與空間鋼管桁架等寬的空間斜腹桿四支柱，因跨度較大，為防止屋蓋系統因支座位移而產生不利影響，就要對柱頂位移有較嚴格的限制，建議廠房柱的橫向位移不大于H/500(H為柱計算長度)。

(2)該建設場地應為穩定場地，基礎均應座于設計要求的相應土層中，以免產生不均勻沉降或場地整體失穩。

4 結束語

四川旺蒼114 m跨干煤棚，經過設計人員不斷優化結構方案，廠房屋架滿足強度、平面內外穩定計算。采用空間桁架結構比空間網架、網殼結構體系節約投資約為20% ～30%，同時施工工藝較為簡單，一般資質的施工單位均可。該結構型式適應面較廣，尤其是施工力量比較薄弱的中小城市、邊遠地區。

結合實際情況，空間鋼管桁架結構不僅滿足了取煤機對大空間廠房的需求，而且工程造價低，充分體現了安全、合理、經濟的工程設計理念。

［1］GB 50017－2003鋼結構設計規范［S］

［2］江志香.大跨鋼管拱桁架結構計算簡化模型的分析［J］.基建優化，2005，26(6)