歐洲規(guī)范在大跨度熟料儲棚鋼結構中的應用

李紅雨，陳世虎

歐洲規(guī)范在大跨度熟料儲棚鋼結構中的應用

Application of Europe Standard in Large Span Clinker Storage Shed Steel Structure

李紅雨，陳世虎

本文以應用于水泥廠中的大跨度熟料儲棚鋼結構工業(yè)廠房為例，采用歐洲規(guī)范進行設計，以通用有限元軟件SAP2000進行結構分析，對項目實施過程中遇到的問題及采用歐洲規(guī)范的大體過程進行概括性介紹，以期對歐洲規(guī)范的應用有一個大體的認識。

歐洲規(guī)范；SAP2000；大跨度熟料儲棚；鋼結構

隨著中國企業(yè)“走出去”戰(zhàn)略步伐的加快，涉外工程也逐漸增多，歐洲規(guī)范、美國規(guī)范等也被越來越多的項目合同要求采用，而國內對于其相關的研究及應用尚處在起步階段。本文以采用歐洲規(guī)范進行設計的大跨度熟料儲棚鋼結構工業(yè)廠房為例，對項目實施過程中遇到的問題及采用歐洲規(guī)范進行設計的過程進行介紹，以加深中國企業(yè)對歐洲規(guī)范應用的認識。

在水泥工廠中，儲棚或堆棚結構以其醒目的外部結構形式以及鮮艷的色彩為大家所熟識。儲棚或堆棚以儲存物料或對儲料均化為目的，在整條生產線中起關鍵的中繼作用，作為一個重要節(jié)點存在。隨著水泥生產線的日趨大型化，為適應生產的需要，儲棚結構的單體建筑面積以及跨度也越來越大，這也相應造成了該結構的用鋼量及造價在整條水泥線的投資中占據更大的比重，因此，結構的合理設計、優(yōu)化是一件很有意義的工作。

1工程概況

本工程地處非洲幾內亞，熱帶地區(qū)，靠海，年最低/最高溫度分別為+ 22/+35°C，處于非地震區(qū)，基本風速（10min平均時距、離地10m高度處）為136 km/h，按歐洲規(guī)范計算，基本速度壓力為0.89kN/m2，從氣象條件來看，本工程溫差很小，風載很大，風載為主要控制工況。

熟料儲棚結構跨度為43.5m，全長139.5m（其中儲棚長133m，另外附加邊側寬6.5m的轉運站），桁架中間部分柱距為7.5m，兩側靠近山墻部分柱距6.5m，共計17榀平面桁架及2榀剛架式山墻，桁架間通過縱向系桿及四道分別設置于中間及邊部的縱向和水平支撐形成穩(wěn)定體系，儲棚結構見圖1、圖2。

2地勘問題

從20世紀50年代以來，我國一直實行工程建設的勘察、設計與施工三個階段的體制，分別由勘察、設計和施工三種不同類型的單位實施。這種體制的特點是勘察、設計與施工單位之間的分工明確，三種不同性質的單位各對其所負責的階段工作負責，以勘察報告和設計圖紙為檢查的依據，工程責任非常明確。但是實際工作總是相互聯(lián)系、相互制約的，人為劃分的界限總有交叉和不太合理的問題，如地基承載力的確定，其不僅與地質條件有關，也和工程條件有關，是在地基基礎設計過程中，根據基礎的實際埋置深度和平面尺寸，經承載力極限狀態(tài)和正常使用狀態(tài)兩種設計狀態(tài)的計算和檢驗，最終取用的綜合取值。在市場經濟國家，巖土工程勘察和巖土工程設計是由一個單位、一個工種來完成，從而避免了這種體制所帶來的結構性矛盾。

圖1 縱斷面圖

在接觸涉外工程的地勘報告時，由于體制與文化的差異，地勘報告的形式與國內有很大的不同。這些地勘報告對于試驗數據的描述十分詳盡，卻不像國內地勘報告一樣為我們得出結論，這種方式給工程師的設計工作帶來很大困難，對工程師提出了更高的要求。針對這種狀況，需要我們的工程師具有巖土和地質工程師的相關知識來認清報告意圖并對實驗數據加以轉化，如試驗標準、土的分類、地基設計準則、沉降分析等方面，從而最終得到巖土的相關性質進而開展地基設計工作。

圖2 橫斷面圖

3模型建立

本工程采用一款國際通用的有限元軟件SAP2000進行建模、分析及設計，其對歐洲規(guī)范、美國規(guī)范有很好的適應性，在國外項目中有很高的認同度。由于該項目具有典型的平面結構的特征，按兩種思路分別建立結構模型，第一種選取單榀結構建立模型（圖3），第二種建立三維模型整體考慮（圖4），對兩方案進行分析對比，選取不利工況作為設計最終結果取用。

4荷載及荷載組合

4.1 荷載

作用于儲棚結構上的主要荷載與作用有：結構自重、設備自重、積灰荷載、樓面（屋面）活荷載、風荷載以及溫度作用等，對于結構自重、設備自重、積灰荷載、樓面（屋面）活荷載等按規(guī)定輸入即可，對于平面模型分析中未考慮溫度作用，三維模型中則考慮溫度作用（假設結構閉合溫度為30°C，溫差按±13℃考慮）。

儲棚結構屬大跨度結構，風荷載是結構設計過程中的控制荷載，風載的計算歐洲規(guī)范提供以下兩種方法：

（1）矢量求和法：作用于整個結構或構件上的風力Fw可以通過外部壓力Fw，e、內部壓力Fw，i和風引起的摩擦力Ffr矢量求和確定，見式（1）。

式中：

（2）力系數法：對于復雜的結構，如桁架結構、表面壓力分布取決于雷諾數的結構和形狀彎曲的結構，如圓柱體、球體，可以采用力系數法進行計算，可以采用EN1991-1-4規(guī)定的不同結構的力系數cf來確定風的合力，見式（2）。

本結構采用矢量求和法求得風荷載施加于模型，由于結構體型的原因，壓力系數含多種工況，給結構計算帶來很大的工作量，可根據實際情況，列選幾種最不利風載工況進行分析計算，一些不起決定作用的工況可以忽略以減小計算工作量。

4.2 荷載組合

在歐洲規(guī)范中，對承載能力極限狀態(tài)，EN1990給出基本組合，見式（3），可選組合見式（4）、式（5）。

承載能力極限狀態(tài)的校核涉及靜力平衡（EQU）、結構承載力（STR）和地基承載力（GEO）三個方面，不同的情況及不同的國家附錄對荷載組合的要求是不同的，針對本項目，選取以下荷載組合進行結構設計。

圖3 單榀結構平面模型

圖4 三維模型

圖5 基礎剖面示意圖

（1）承載能力極限狀態(tài)

（2）基礎組合（基礎設計時采用）

（3）正常使用極限狀態(tài)

式中：

W——風荷載

5結果分析

（1）由于本工程風載很大，基礎設計時為控制工況，造成基礎尺寸很大達到4m×7m。此外儲棚周邊布置有擋墻，設計時需統(tǒng)一考慮，對此，可按實際情況將桁架柱獨立基礎及擋墻設計為分離式或者整體式。分離式計算方便，但很難保證施工及工程質量。整體式（圖5）可以分為兩部分計算：擋墻及獨立基礎單位計算，計算獨立基礎要將擋墻計算的附加重力、剪力及彎矩加于其上，考慮不利組合一起計算，綜合考慮，選取整體式基礎作為最終設計方案。

（2）雖然結構平面具有典型的平面特征，按常規(guī)應將其按平面考慮，不過在分析中發(fā)現(xiàn)，溫度作用對結構的影響也是可觀的，邊部帶撐部分的桿件及支撐構件的內力都有一定程度的增大，出于安全的考慮，將由平面桁架組成的大體量結構體系按實際情況整體建立三維模型。本項目由于溫度作用較小，未設計溫度縫，在溫度作用較大的情況，應在適當位置設置溫度縫以從構造上減小溫度作用，除此外，對于支撐構件也應盡量布置于結構的中部。

（3）在單榀平面結構下的結構計算結果反映：在風載工況下，結構產生較大的位移，已經接近限值要求；而在三維模型分析下，結構的變形較小，由于側向構件的加入使結構縱向剛度變大且在風載作用下結構會出現(xiàn)應力重分布從而使變形減小，整體模型更能真實反映結構的受力。

（4）按照我們通常的設計習慣，對于由強度控制的構件，通常采用Q345鋼或更高強度的鋼材，受力較小的地方會采用Q235鋼，不同強度的材料混用在同一結構上，但是按歐洲規(guī)范的設計習慣及要求，這一作法是不被推薦使用的，因此，為了節(jié)省鋼材，我們的結構構件全部采用Q345鋼。

[1]貢金鑫,車軼,李榮慶.混凝土結構設計[M].中國建筑工業(yè)出版社,北京：2009.8.

[2]高大釗.土力學與巖土工程師[M].人民交通出版社,北京：2008.8.■

TQ172.612

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1001-6171（2014）02-0104-03

天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司，天津300400；

2013-09-05；編輯：趙蓮