大跨度水泥熟料庫網架受力特點及參數影響分析

李東水，趙琳，馬德寶，張文元，潘蜀京

1 前言

隨著我國經濟的迅速發展，網架結構的應用越來越廣泛，尤其是在大跨度建筑物中，網架結構顯示出了特有的優勢，如自重輕、承載力高、結構受力明確、傳力合理、設計、制作和安裝相對容易等。

以某水泥廠熟料庫網架屋蓋為模型進行整體性能分析。該水泥熟料庫直徑為70m，采用圓臺形（錐面+錐頂平臺）網架屋蓋、Q235鋼材，其下部筒體壁厚為600mm，網架外徑取70.5m，網架錐面傾角根據工藝要求確定為32°角。同樣按工藝要求，錐頂平臺直徑13.7m，整體錐面網架高度約20m，其整體尺寸如圖1所示。采用等截面的雙層網架，網格形式為常用的正放四角錐類型，由于庫內外溫差較大，為了使溫度變形得到很好的釋放，設計了一種能夠沿徑向滑動的支座[1]，選擇網架下弦外環周邊的18個節點定義為網架支座，采用螺栓球節點，高強螺栓連接。本工程取抗震設防烈度為8度，溫度差取150℃，拉鏈機頭斜向拉力為360×2kN，將桿件最大應力比控制在0.8的范圍內。

2 結構整體性能分析

2.1 網架的周期和振型特點

在結構設計中，荷載取值及組合時分項系數、組合系數按《建筑結構荷載規范2010征求意見稿》選取[2]，組合中考慮了恒荷載、活荷載、風荷載、地震荷載和溫度荷載的作用，組合后經分析得到網架的周期和振型的特點如下：

（1）結構基本周期為0.32s左右，對比網架或網殼的各種屋蓋結構，本結構的剛度較大，這主要是由于本結構承受較多的活荷載，且荷載數值較大，故結構選型時網架截面高度取值較大；同時周邊支承的錐形網架本身構形上就屬于高次超靜定，也是造成結構剛度較大的原因。較大的剛度對于本結構的設計是有益的。

（2）結構的前兩階周期基本相等，振型均為錐頂帶動錐面的水平振動，但方向相互垂直，分別為整體坐標系的X和Y向。觀察支座可以發現，由于整體的振動，各支座均沿著徑向發生了不同程度的位移，但法向保持不動。

（3）結構的第3階振型為豎向振動，周期比前兩階稍有降低。周邊各支座均發生了向外的徑向變形，且變形基本相等，類似于一個被壓扁了的草帽。

（4）結構的4、5、6階振型為高階振型，圖2中未給出更高階振型，他們的周期進一步降低，但降低的幅度不大，說明本網架的振型相對密集，這也是網架或網殼結構的普遍特點。

2.2 網架在豎向荷載作用下的變形和內力特點

（1）在豎向荷載作用下結構的錐面和錐頂平臺向下產生了類似簡支梁一樣的撓度，同時沿徑向向周邊擴大，產生徑向的水平位移。豎向恒荷載作用下的最大撓度為19.34mm，發生在錐頂平臺上，周邊水平變形約為8.71mm；豎向活荷載作用下的最大撓度為13.77mm，亦發生在錐頂平臺上，周邊水平變形為6.42mm。豎向撓度和水平變形均不大，可滿足變形限值的要求[3]。

（2）由于豎向恒荷載取值較大，故豎向恒荷載作用下，網架各桿件的內力比豎向活荷載作用的結果稍大，但這兩種荷載作用下，網架上弦、下弦、腹桿、支座反力等分布規律基本一致，兩者呈比例變化。

圖1 網架的整體尺寸

豎向荷載作用下網架將產生沿徑向擴大的趨勢，從而造成上、下弦的最外圈環向桿件承受了較大的拉力，其數值比內圈各環明顯高出許多，由外圈到內圈，各環拉力呈迅速遞減趨勢，且到內部各環處逐漸變為壓力。網架上、下弦的徑向桿基本處于受壓狀態，其中上弦表現得更為明顯一些，這是由于豎向荷載要沿著錐面向下方的支座處傳遞而造成的。上、下弦徑向桿件的壓力差形成的彎矩與外荷載產生的彎矩相平衡。外環的斜腹桿所受內力也明顯大于內部各環，且同一網格內的兩根腹桿的拉壓力交替變化。正是基于這種特點，在定義桿件優選分組時，將各環的網架腹桿定義為不同的分組，同一環內的腹桿為同一組，有利于結構用鋼量的優化。錐頂平臺處（特別是錐頂平臺的周邊處）各腹桿的內力也較大，這是由此處荷載本身較大且存在著庫頂房及其屋面傳來的恒荷與活荷所致。

18個支座的豎向反力基本相等，說明結構布置和剛度分配基本沿中心極對稱，豎向荷載能夠均勻地傳遞給各個支座。18個支座的水平反力數值接近于0，說明在豎向荷載作用下各支座不會產生明顯的法向支反力。

2.3 網架在拉鏈機頭斜向荷載作用下的變形和受力特點

（1）拉鏈機頭斜向荷載作用下的變形如圖3所示，可以看出由于荷載是沿圖中X軸和-Z軸方向的，故合位移較大的位置發生在X正向的錐頂平臺和錐面的交匯處區域，最大合位移為7.26mm。而從水平變形圖中可以發現，由于支座水平約束的存在，網架的+Y向和-Y向的最外端在X方向基本維持不動，而網架的+X向和-X向的最外端沿X方向均產生了水平變形，此時整個網架沿水平X方向也類似于一個簡支梁的變形。由于網架為錐面，且斜向力作用在錐頂平臺上，故錐頂平臺處的水平位移也較大，與網架+X向最外端的水平位移基本持平，大致為3.87mm。總之無論是豎向位移，還是水平位移，數值都不大。

圖2 模型S-8-360-150的前六階振型和周期

圖3 拉鏈機頭斜向力工況下的位移

（2）由于拉鏈機頭斜向力作用在錐頂平臺上，沿+X軸和-Z軸斜向下作用，且水平分量較大，故可以發現網架徑向弦桿在內力的分布上分為左右兩半，左半是受拉壓，右半是受壓拉，這種現象在上弦徑向桿中表現得更為突出。而環向桿受力同樣表現出了網架最外環桿件受力最大的特點，且比內部各環內力高出許多，但右側半面的外環承受拉力，而左側半面的外環承受壓力，這與簡支梁或桁架的受力特點十分類似。

支撐平臺處網架腹桿的內力較大，因為這里是承受拉鏈機頭斜向力的直接位置。而由于內力在桿件中很多能夠得到擴散，并均勻分布開來，故其他位置腹桿的內力都不大，且較為均勻。

支座的豎向支反力呈現出右側受壓、左側受拉的分布規律，這是由于錐面高度較大，拉鏈機頭斜向力對支座平面產生了整體傾覆彎矩。拉壓過渡位置（可以認為是中和軸位置）與Y軸平行，位于網架中心偏左的位置上。各支座的法向支座反力分布規律與預想的完全相同，即與斜向力水平分量相垂直處的支座法向支反力最大，隨著與水平荷載夾角的減小，各支座的法向支反力逐漸減小，當支座法向與水平荷載垂直時，支座的法向支反力減小為0。支反力有正有負，是由于法向剛性系桿設置方向不同的緣故，因此我們可以不必關心其正負，而僅關心其絕對數值。

2.4 網架在溫度荷載作用下的變形和受力特點

（1）溫度荷載作用下的變形基本是極對稱，網架沿徑向向周邊均勻擴展，此時最大溫度變形為63.699mm，且觀察其他模型發現，這個溫度變形僅與升溫幅度有關。若升溫均為150℃時，無論桿件截面如何，其最大徑向的溫度變形均為63.699mm。

（2）網架所有桿件在溫度荷載作用下的內力均為0，這也說明了支座位置、數量和約束方式的設置是合理的，不會由于溫度的變化而產生附加內力。同樣支座的豎向反力和法向水平力也均為0，說明溫度荷載對本網架桿件內力沒有任何影響,僅會產生位移。

3 關鍵參數的影響分析

3.1 拉鏈機頭斜向荷載的影響

同一抗震設防烈度、同一溫差荷載作用時，拉鏈機頭斜向力對網架各設計指標的影響規律如圖4所示。從圖4a中可以看出，隨著拉鏈機頭斜向力的增大，結構的前三階周期基本呈線性降低，說明拉鏈機頭荷載增大導致結構用鋼量增加，從而使結構整體剛度加大。從圖4b中可以看出，拉鏈機頭荷載的增大，使支座的支反力線性增大，由于此機頭斜向荷載的水平分力較大，致使水平支反力的增大效果相對明顯，而豎向支反力僅隨拉鏈機頭荷載的增大而稍有增加。從圖4c中可以看出不同溫差時，網架的最大水平位移隨拉鏈機頭荷載的增大而略有增加，但增大效果不明顯，這主要是由于溫度荷載產生的水平變形在總體水平變形中占據了絕大比例，這時外力產生的水平變形變化相對微弱。而隨著拉鏈機頭荷載的增大，結構用鋼量和剛度均相應增大，故網架的最大豎向位移隨拉鏈機頭荷載的變化規律不明顯，甚至表現出位移逐漸減小的趨勢。從圖4d中可以看出，拉鏈機頭荷載對結構的用鋼量影響較大，且隨此荷載的增大，用鋼量呈現出一定程度的非線性增長，說明拉鏈機頭荷載是結構經濟指標的重要影響因素。

3.2 溫度荷載的影響

溫度荷載不會引起附加內力，故對結構的豎向位移、內力和支反力的影響不大，但對結構的水平位移響應影響較大，圖5給出了隨溫度荷載變化時網架最大水平位移曲線。從圖中可以看出，隨著溫差的增大，最大水平位移呈線性按比例增大。溫差達到150℃時，最大位移為84mm左右。拉鏈機頭荷載不同時，對最大水平位移的影響不大，圖5中的四根曲線基本重合。

3.3 地震荷載的影響

圖4 拉鏈機頭斜向力對網架各設計指標的影響規律

圖5 升溫溫差對最大水平位移的影響規律

對比相同拉鏈機頭斜向力、不同設防烈度時的計算結果，可以發現地震作用對結構用鋼量沒有影響，對結構周期、支反力和位移也沒有影響。兩種設防烈度情況下，網架的截面沒有任何改變，因此可以認為地震荷載并非本結構的控制荷載，對結構設計沒有顯著影響。

3.4 支座數量的影響

由于本網架周邊一共有72個節點，根據均勻分配的原則，將網架周邊支座數量定義為12、18、24、36個，建立模型并分別計算發現，隨著支座數量的增加，桿件最大內力、結構整體位移和支座法向水平支反力均逐漸降低，而且它們的變化規律基本相同。雖然上述指標隨支座數量增多而降低，但并非線性關系，結構響應指標降低的速度在減緩。這種現象說明增加支座數量雖能改善結構的受力狀態，但支座達到一定數量后，其改善結構受力狀態的能力在下降。

故綜合分析這些數據，可以認為當支座數量為18時，結構經濟指標最合理。此時既不會使用過多的支座，也不會給施工和安裝帶來過多麻煩，還能保證結構桿件內力、位移、水平支反力等作用效應指標。

3.5 局部桿件取舍的影響

考慮庫頂房下料口的需要，將庫頂網架中心位置處的上弦和下弦各去掉一根，計算結果表明對網架周邊桿件及整體響應并未產生較大影響，原有桿件截面依然能夠滿足設計需要。錐頂平臺位置處網架上下弦均去掉中央的桿件后，由于內力重分布，其周邊構件的內力有所增大。但由于這些桿件原有的內力并不大，雖然內力有所增加，但使用原有截面仍能滿足設計要求。

4 結論

（1）在設計中，要考慮到網架最外環承受較大拉力，荷載較大的工況下可能會出現與最外環桿件相配的螺栓規格截面過大甚至超出常規螺栓直徑范圍，造成設計困難。試算中發現，增加與最外環相鄰的內環桿件截面尺寸，可以有效分擔最外環拉力，有助于減小最外環桿件截面和螺栓規格。

（2）該網架本身為高次超靜定結構，這是計算分析時造成剛度較大的一個原因，其支座的設計很重要，將支座設計成徑向可自由滑動的形式，有助于溫度變形的有利釋放。

（3）根據本網架屋蓋的設計可知，實際工程應根據實際需要，靈活布置桿件，在滿足設計要求的前提下達到經濟合理的目的。

[1]赫沙莫夫（蘇）,張明宇譯.網架屋蓋的計算構造[M].天津：天津科學技術出版社，1986.

[2]建筑結構荷載規范2010征求意見稿.

[3]網架結構設計與施工規程JGJ7-91[S].北京：中國建筑工業出版社,1992.

[4]GB50017-2003,鋼結構設計規范[S].

[5]GB50011-2010,建筑抗震設計規范[S].■