支座沉降對水泥工廠預均化庫網殼性能的影響

新型干法水泥生產技術采用預均化庫完成原料的預均化過程，隨著水泥生產規模的不斷擴大，水泥工廠預均化庫的跨度日趨增大，目前圓形和矩形平面預均化庫的跨度已分別達到96 m和60 m，使得預均化庫屋蓋網殼成為水泥工廠建設的重點工程之一，因此，如何在常規荷載效應分析的基礎上，考慮地基不均勻沉降等特殊作用對預均化庫屋蓋網殼結構的影響，是保證水泥工程建設安全性的重要課題。

本文針對水泥工廠預均化庫工程，以跨度86 m的雙層球面網殼和跨度60 m的雙層柱面網殼為例，采用通用有限元分析軟件ANSYS建立預均化庫屋蓋網殼整體分析模型，分析支座不均勻沉降對網殼結構性能的影響。參照GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范［1］，取相鄰網殼支座沉降差允許值為0．003L，L為相鄰網殼支座間距。雙層球面網殼相鄰支座間距為8 443 mm，近似取沉降差允許值為25 mm，而雙層柱面網殼相鄰支座間距為6 000 mm，其沉降差允許值為18 mm。

1 支座不均勻沉降對雙層球面網殼結構性能影響分析

1．1 網殼結構概況

雙層球面落地網殼跨度86 m(如圖1所示)，其結構形式為角錐形雙層球面網殼，共設置32個支座。根據JGJ 7-2010空間網格結構技術規程［2］，球面網殼的矢跨比不宜小于1/7，雙層球面網殼的厚度可取跨度(平面直徑)的1/30～1/60的相關規定，網殼球面部分下弦矢高取20．25 m，矢跨比約為1/4，網殼厚度取2 m。網殼桿件截面規格見表1。

圖1 雙層球面網殼三維示意圖

表1 雙層球面網殼桿件截面規格 mm

1．2 支座不均勻沉降的影響

對于雙層球面網殼，考慮地基發生沉降的范圍為連續五個支座，發生沉降位置如圖1所示。參照GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范要求沉降量允許值25 mm，將支座不均勻沉降量分為10 mm和25 mm兩種情況。首先針對雙層球面網殼連續五個支座沉降10 mm的情況，采用通用有限元分析軟件ANSYS［3］對支座不均勻沉降引起的結構內力進行分析，從網殼桿件應力圖可以看出桿件軸向應力較大的位置集中于發生沉降與未發生沉降的相鄰兩支座之間，桿件的最大軸向應力已超過60 MPa。在考慮壓桿穩定后，將連續五個支座沉降引起的內力與豎向荷載作用組合得出桿件軸應力，超過設計應力(215 MPa)的桿件位置及相應的軸應力值如圖2a)所示，可以看出不滿足設計要求的桿件主要集中在發生沉降與未發生沉降的相鄰支座之間，個別桿件軸應力已超過300 MPa。沉降量增大到25 mm引起超過設計應力的桿件位置及相應的軸應力值如圖2b)所示，可以看出由于沉降量的增加，軸應力超過設計應力的桿件數量明顯增加，并由發生沉降與未發生沉降的相鄰支座之間向周圍區域擴展，最大軸應力值達到甚至接近設計應力的3倍。

2 支座不均勻沉降對雙層柱面網殼結構性能影響分析

2．1 網殼結構概況

雙層柱面網殼跨度為60 m，結構形式為正放抽空四角錐雙層柱面網殼，如圖3所示。其下弦矢高為30 m，縱向總長度為123 m，網殼厚度為2 m，滿足JGJ 7-2010空間網格結構技術規程中，沿兩縱向邊支承的圓柱面網殼的矢跨比1/2～1/5，厚度可取寬度1/20～1/50的規定。柱面網殼桿件截面情況如表2所示。

2．2 支座不均勻沉降的影響

對于雙層柱面網殼，考慮連續五個中間跨支座發生沉降，如圖3所示。并且參照GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范要求的沉降量允許值18 mm，將支座不均勻沉降量分為10 mm和18 mm兩種情況。

圖2 連續五個支座沉降引起桿件超設計應力情況（單位：MPa）

圖3 雙層柱面網殼三維示意圖

雙層柱面網殼連續五個邊跨支座同時發生10 mm沉降，桿件軸向應力較大的位置同樣集中于發生沉降與未發生沉降的相鄰兩支座之間，桿件的最大軸向應力已超過96 MPa。

表2 雙層柱面網殼桿件截面規格 mm

圖4 連續五個邊跨支座沉降引起桿件超設計應力情況（單位：MPa）

在考慮壓桿穩定后，將連續五個支座沉降引起的內力與豎向荷載作用組合得出桿件軸應力，超過設計應力(215 MPa)的桿件位置及相應的軸應力值如圖4所示，與雙層球面網殼連續五個支座同時發生10 mm沉降類似，但桿件最大軸應力明顯增加。當沉降量增大到18 mm時超設計應力的桿件分布與雙層球面網殼沉降量為25 mm時規律相似，且桿件最大軸應力明顯加大，已超過設計應力的3倍。

另外，當雙層柱面網殼一側的支座同時發生沉降時，由于雙層柱面網殼的機動性，即使在沉降量相對較大的情況下，對網殼桿件內力影響也很小，故在雙層柱面網殼半跨支座發生沉降時對桿件內力的影響可以忽略不計。

3 結論及建議

對于雙層球面網殼在支座發生較小沉降時，由于支座沉降而發生軸應力超設計應力的桿件主要分布在發生沉降與未發生沉降的相鄰兩支座之間，隨著沉降量的增大，軸應力超設計應力的桿件分布會向周圍擴展且最大軸應力值明顯增大。對于雙層柱面網殼情況與雙層球面網殼類似，但與雙層球面網殼相比，超設計應力桿件的最大軸應力值較大。當雙層柱面網殼沿縱向長度方向一側所有支座同時發生相對較大沉降時，對桿件內力影響很小，可以忽略不計。建議當地基條件復雜的情況下，對支座附近桿件做適當加強，避免由于支座不均勻沉降對結構性能造成的影響。

［1］GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范［S］．

［2］JGJ 7-2010，空間網格結構技術規程［S］．

［3］Release 11．0 Documentation for ANSYS［Z］．2008．