某233 m跨長拱形干煤棚結構設計

張勇豪,蔣永揚,金 枝,趙雪霞

(浙江中南建設集團鋼結構有限公司,浙江 杭州 310052)

隨著社會對能源、基礎設施需求的日益增加,電力、煤炭、水泥等行業中用于儲煤、儲料的大型干煤棚結構設施得到了很大的發展和應用。而干煤棚的發展可以追溯到20世紀初,當時的露天煤場容易受到環境影響,煤塵會隨著風四處擴散,對周圍的環境造成污染。為解決這個問題,人們采用封閉儲煤倉代替了露天儲煤場,對燃煤進行加蓋,防止雨淋和揚塵,使燃煤堆放符合環保及建設用地要求。

本文以某干煤棚項目為背景,介紹了一種超大跨度干煤棚結構設計方案,并與傳統的干煤棚結構設計方案進行比較,通過數值模擬數據來驗證新設計方案的合理性。

1 工程概況

該煤場建筑縱向長度272 m,橫向跨度233 m,擬建干煤棚占地面積約64 308 m2。建筑內部有兩臺斗輪機同時進行工作,每臺斗輪機的橫向作業寬度約94.60 m,作業高度約30.51 m,建筑內部工藝界面圖見圖1。該工程結構的安全等級為二級,結構的設計使用年限為50年。結構火災危險性為丙類,耐火等級為二級,耐火極限為1.0 h。

圖1 建筑內部工藝界面圖(mm)

2 結構選型

干煤棚結構的設計首先要滿足相關設備對操作空間的要求,以便根據實際情況確定合理的結構方案。其中,斗輪機的工藝界面是需要考慮的重點,斗輪機工作時,需滿足上部結構可以繞回轉中心旋轉,以實現設備在一定角度范圍內堆、取料作業；同時內部車可以沿軌道行走,從而實現設備在整個料場范圍內作業[1]。通常采用正放四角錐雙層網殼結構形式[2],該結構形式優美、用鋼量低、剛度較好、傳力形式簡潔。根據《空間網格結構技術規程(JGJ 7—2010)》[3]的規定,該網殼結構的厚度宜取寬度的1/20～1/50。

2.1 傳統結構形式

1)傳統結構形式一

將煤棚設計成兩跨相同的三心圓雙層網殼結構,見圖2。經初步選型可得相關幾何參數如下：跨度113 m,厚度3.8 m,拱高40.52 m,三心圓半徑中大圓半徑為134.45 m，小圓半徑為26.228 m。

圖2 傳統形式一網殼結構剖面圖(mm)

2)傳統結構形式二

將煤棚設計成單跨三心圓雙層網殼結構,見圖3。經初步選型可得相關幾何參數如下：跨度233 m,厚度3.75 m,拱高36.57 m,三心圓半徑中大圓半徑為273.57 m，小圓半徑為28.429 m。

圖3 傳統形式二網殼結構剖面圖(mm)

2.2 新型結構形式

在傳統結構形式二的基礎上,在網殼結構跨中設置1道Y型支撐。該Y型支撐結構由上部V型鋼架和下部混凝土柱構成,V型鋼架立于混凝土柱上,整體結構的剖面和軸側圖見圖4。

圖4 中間設Y型支撐網殼結構剖面圖(mm)

2.3 結構形式對比分析

1)傳統結構形式一與新型結構形式對比

為滿足斗輪機空間使用要求,傳統結構形式一落地拱腳的角度比單鉸拱網殼結構所需的落腳角度更大,且結構拱高也有所增加,同時還需考慮兩網殼結構中部積灰、積雪等荷載的影響,使得該結構形式所需用鋼量增加,且結構中部的天溝處理相對也較繁瑣,與新型結構結構形式相比經濟性較差。

2)傳統結構形式二與新型結構形式對比

當采用傳統結構形式二設計時,正放四角錐雙層網殼結構雖能滿足結構大跨度的要求,但因結構跨度過大會導致結構撓度及桿件應力均難以滿足設計要求,結構設計存在死循環(即增大桿件截面,會導致重量增加,從而增大撓度),結構設計難以實現。

而新型結構形式能夠有效地減少網殼中間的最大豎向位移,在保證結構大跨度要求的同時,相比于普通的結構設計,大大地提高了結構內部空間利用率,并節省了用鋼量及施工成本。

3 結構計算與分析

為更好地研究傳統結構形式二與新型結構形式的差異性,特選擇相同的幾何參數和桿件建立有限元計算模型進行對比分析如下。

3.1 結構建模

在結構設計軟件中建立結構模型,進行計算分析,選擇桿件的規格共15種,為：Ф75.5×3.75，Ф102×4，Ф114×4，Ф127×4，Ф140×4，Ф152×4，Ф159×6，Ф159×8，Ф180×8，Ф180×10，Ф219×10，Ф219×12，Ф219×14，Ф245×12，Ф245×14。計算模型見圖5、圖6。

圖5 傳統形式二網殼結構計算模型(不含山墻面)

圖6 新型結構形式網殼結構計算模型(不含山墻面)

3.2 荷載工況及組合

結合工程情況,并參照《建筑結構荷載規范(GB 50009—2012)》[4]和《結構抗震設計規范(GB 50011—2010)》[5]中的相關規定,需考慮的荷載工況如下：①恒荷載 0.30 kN/m2(屋面板+檁條自重,承重結構重量程序自動計算)；②活荷載 0.30 kN/m2(用于主承受結構設計)；0.50 kN/m2(用于檁條設計)；③雪荷載 基本雪壓 0.45 kN/m2(50年一遇)；④風荷載 基本風壓0.40 kN/m2(50年一遇)；地面粗糙度B類；⑤地震荷載 抗震設防烈度為7度；⑥溫度作用 累年年平均氣溫為13.1℃,累年極端溫度為-25.1℃～42.8℃。

共考慮156種荷載組合,為方便研究,現選取5種典型荷載組合進行數據分析,所選荷載組合見表1。

表1 典型荷載組合情況

3.3 計算結果分析

兩種結構形式下的結構豎向最大位移值及典型桿件應力比對比數據見表2、表3。

表2 兩種結構形式的最大位移值 mm

表3 典型桿件在兩種結構形式中的應力比

由表2、表3可得：①采用傳統結構形式二設計時,在組合4作用下,網殼結構位移最大為3 422.08 mm>l/250=932 mm(容許撓度值),在組合2作用下,結構桿件應力比最大為7.69>0.85,無法滿足《空間網格結構技術規程(JGJ 7—2010)》中的相關設計要求。②采用新型結構形式設計時,在組合4作用下,網殼結構位移最大為323.25 mm

經對比分析可得：在設計條件(構件尺寸、截面型號、材質、荷載條件等)完全相同的前提下,傳統結構形式與新型結構形式相比,典型構件的最大應力比由7.69下降到0.78,結構豎向位移最大值由3 422.08 mm下降到299.25 mm,應力比減小近10倍,最大豎向位移值減小約12倍,充分體現出新型結構形式在承載能力和剛度上的優勢。

圖7 傳統方案設計結構

圖8 新型方案設計結構

4 結 語

本文闡述的新型結構形式成功地解決了某233 m跨長的干煤棚結構因跨度過大引起撓度過大，在使用空間的剛需下難以設計的問題。通過在傳統結構形式跨中加設Y型支撐的方式,將單跨233 m轉變為2跨116.5 m,同時,考慮到下部使用空間,在一定高度范圍內設置混凝土柱,在混凝土柱上部設置V型鋼架支撐,增加上部結構與下部結構的連接點,既不影響結構空間的使用,也能為上部結構提供多個支撐點,不僅可以減小網架結構的撓度,還能克服局部桿件內力集中的問題,也能降低用鋼量,可保證結構桿件應力及結構撓度均滿足《鋼結構設計規范(GB 50017—2003)》要求。該設計方案可以為同類建筑結構設計提供參考。