某三心圓柱面大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

吳曉龍 張 淵 周福青 徐 欣 王玲玲

(1.北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京 100043; 2.北京住總集團有限責任公司工程總承包二部，北京 100124)

1 概述

隨著環(huán)保要求日益提高，傳統(tǒng)的防風(fēng)抑塵網(wǎng)已經(jīng)達不到最新的環(huán)保標準，因此為適應(yīng)新形勢下對大氣污染物控制日益提高的要求，并本著建設(shè)綠色環(huán)保型電廠的精神，首鋼京唐公司能源部對煤料場進行封閉改造，以滿足環(huán)保的要求。當跨度較大(大于60 m)且中部無法設(shè)置立柱時，平板網(wǎng)架及門式剛架已經(jīng)不能滿足其功能要求，三心圓柱面雙層網(wǎng)殼完美的解決了這一問題。

文中主要根據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范及標準，結(jié)合工程實例，介紹三心圓柱面大跨度網(wǎng)殼設(shè)計過程。此外，根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗及設(shè)計回訪，對大跨度網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)、支座、檁條等節(jié)點進行優(yōu)化設(shè)計。

2 大跨度網(wǎng)殼設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)選型

在確定網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的類型時應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的受力性能和經(jīng)濟性。結(jié)構(gòu)受力性能與結(jié)構(gòu)的平面形狀尺寸、結(jié)構(gòu)的矢高、曲面形式、網(wǎng)格形式、邊界支承條件等因素有關(guān)[1]。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足形式簡潔，傳力路徑均勻、明確以及功能要求。根據(jù)斗輪機工作范圍、料條堆放位置、周邊建筑物位置及業(yè)主要求，最終確定該煤棚結(jié)構(gòu)跨度為136 m(投影跨度143.47 m)，縱向長283 m(投影長度287.94 m)，中部設(shè)置一道伸縮縫，兩側(cè)山墻封閉，建筑投影面積41 310.8 m2，其剖面如圖1所示，網(wǎng)殼采用正放四棱錐三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，下弦桿多點支承，網(wǎng)格尺寸為4.94 m×4.94 m，網(wǎng)殼厚度為4.0 m，網(wǎng)殼高44.486 m，天窗高度3.92 m，三維模型如圖2所示。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

本工程采用MST2016企業(yè)版軟件計算，網(wǎng)殼計算模型為空間鉸接桿系結(jié)構(gòu)，因此荷載必須作用在網(wǎng)殼球節(jié)點上，桿中不得作用任何荷載。

1)材料：鋼管選用GB/T 700中的Q345B，高強度螺栓選用GB 3077中的40Cr或20MnTiB，螺栓球選用GB 699中45號鋼，焊接球選用Q345B。

2)長細比：一般桿件受壓長細比取180，受拉長細比取250；臨近支座處關(guān)鍵桿件受壓長細比取150，受拉長細比取200[2]；關(guān)鍵桿件的地震組合內(nèi)力設(shè)計值應(yīng)乘以增大系數(shù)，7度時宜按1.1采用[3]。

3)應(yīng)力比：考慮到桿件制作安裝誤差，支座沉降等誤差影響，桿件應(yīng)力比限值取0.90，其強度設(shè)計值為283.5 kN/m2。

4)荷載工況：設(shè)計煤棚網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)時主要考慮以下工況：恒荷載(屋面主、次檁條及壓型鋼板)0.25 kN/m2；活荷載[4]0.30 kN/m2；基本雪壓0.40 kN/m2，雪荷載與活荷載取大值計算，并考慮半跨荷載布置情況；基本風(fēng)壓0.45 kN/m2，根據(jù)風(fēng)洞試驗結(jié)果取值；檢修馬道處(含照明及消防水泡)下弦節(jié)點荷載3.0 kN；溫度荷載±30 ℃，要求合龍溫度在15 ℃±3 ℃之間；地震作用，根據(jù)地勘報告，煤棚所在區(qū)域抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g，場地地震分組為第一組，場地土類別為Ⅲ類，特征周期為0.45 s，多遇地震計算時采用振型分解反應(yīng)譜法，取前100階振型進行計算。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

采用MST軟件參數(shù)化建模并進行自動優(yōu)化計算，為保證桿件剛度的連續(xù)性，調(diào)整弦桿使得其受力方向相鄰桿件截面面積不宜超過1.8倍[2]。最后確定桿件規(guī)格由φ75.5×3.5～φ219×16共15種。研究表明，減小用鋼量較大桿件的極差可減小鋼結(jié)構(gòu)主體用鋼量。

根據(jù)計算，所有桿件應(yīng)力比均在0.9以內(nèi)，滿足強度要求。桿件最大軸力為2 281.3 kN，位于伸縮縫邊緣，由于伸縮縫邊緣處桿件缺乏山墻約束，類似于三邊簡支、一邊自由的板塊，且網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中部受到的風(fēng)吸力較大，導(dǎo)致端部桿件產(chǎn)生較大內(nèi)力。恒活荷載標準值作用下，結(jié)構(gòu)最大撓度為247 mm(1/551<1/250)，風(fēng)荷載標準值作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移為212 mm(1/210<1/150)，均滿足剛度要求。采用MIDAS軟件對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性分析，按彈性全過程計算不同工況下網(wǎng)殼極限承載力穩(wěn)定系數(shù)，其中最小值為7.7，大于安全系數(shù)4.2，滿足穩(wěn)定性要求[2]。

此外，采用MIDAS軟件對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行罕遇地震作用下彈塑性時程分析作為補充計算，分析結(jié)構(gòu)的抗震性能。模型中桁架單元采用塑性鉸模型，考慮桿件受拉和受壓屈曲及屈曲后的強度退化。根據(jù)抗震規(guī)范要求，選取三條Ⅲ類場地地震波進行分析，地震加速度最大時程為310 cm/s2，按縱向∶橫向∶豎向=1∶0.85∶0.65的比例輸入，取前20 s地震波進行計算。計算表明，塑性鉸分布于結(jié)構(gòu)伸縮縫端部，以及網(wǎng)殼上端兩側(cè)部位，主要集中于腹桿，山墻以及網(wǎng)殼上下弦桿均未出現(xiàn)塑性鉸，且塑性鉸集中部位產(chǎn)生較大相對位移，這是由于腹桿受壓屈曲所引起上下弦桿件之間的相對變位。塑性鉸分布如圖3所示，結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生變形，未發(fā)生大面積塌陷，整體仍保持穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)計滿足結(jié)構(gòu)“大震不倒”要求。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)量統(tǒng)計

網(wǎng)殼桿件與節(jié)點理論用鋼量約2 252.54 t，按其覆蓋面積41 310.8 m2，每平方米用鋼量為54.53 kg。結(jié)構(gòu)竣工圖如圖4所示。

3 大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 溫度應(yīng)力優(yōu)化分析

本工程各網(wǎng)殼單元縱向長度接近150 m，溫度變化較大時，由于熱脹冷縮效應(yīng)，桿件長度變化的積累使得網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的整體變形，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)支座反力增大，桿件內(nèi)力增大，結(jié)構(gòu)用鋼量增加。

在不影響網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的情況下，通過刪除支座處桿件，分為三種方案：1)原結(jié)構(gòu)：未刪除下弦桿；2)方案一：刪除下弦桿；3)方案二：刪除下弦桿+腹桿，如圖5所示。分析表明，在溫度變化30 ℃的情況下，原結(jié)構(gòu)支座處的反力(縱向)及下弦桿內(nèi)力均大于方案一與方案二，且從中部支座向兩端支座逐漸增大，最大可達到2.56倍(312 kN/122 kN)。此外，由于桿件減少，溫度應(yīng)力得到釋放，同時改善支座受力，方案一用鋼量小于原結(jié)構(gòu)；方案二中繼續(xù)刪除的腹桿為零桿，不影響結(jié)構(gòu)受力，進一步減少了結(jié)構(gòu)用鋼量。可見網(wǎng)殼縱向長度越大，溫度變化對支座反力及縱向桿件內(nèi)力的影響越不可忽略。

3.2 支座優(yōu)化分析

網(wǎng)殼支座一般由鋼結(jié)構(gòu)廠家制作，批量運輸至現(xiàn)場，其做法一般如圖6a)所示。錨栓突出混凝土表面，不利于成品支座安裝及滑移法施工，影響施工進度及方案。

針對上述問題，對支座節(jié)點進行優(yōu)化，如圖6b)所示，支座優(yōu)化節(jié)點不使用錨栓及底板，將加勁板直接焊于預(yù)埋件上，采用剖口焊縫。通過設(shè)計預(yù)埋件尺寸、厚度及錨筋的數(shù)量和直徑，算得預(yù)埋件下混凝土的局部受壓應(yīng)力及加勁肋應(yīng)力，均未超過其強度設(shè)計值。該方法不僅簡化了施工工藝，而且減少了結(jié)構(gòu)用鋼量。

3.3 伸縮縫處節(jié)點優(yōu)化分析

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)縱向長度較大時，需設(shè)置多道伸縮縫。分析表明，增大伸縮縫間距，網(wǎng)殼主體鋼結(jié)構(gòu)覆蓋面減小，可減少主體結(jié)構(gòu)的用鋼量，但是增大伸縮縫距離會導(dǎo)致位于下弦桿的縱向檢修馬道懸挑距離較長而導(dǎo)致無法連接，檢修人員無法通過。本文對伸縮縫馬道處網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，如圖7所示，通過局部增設(shè)下弦桿件及腹桿，網(wǎng)殼可設(shè)置縱向貫通的檢修走道；同時，伸縮縫處檁條節(jié)點進行相應(yīng)改進，如圖8所示，將伸縮縫處檁條制作成可沿縱向滑動的檁條，根據(jù)線膨脹公式計算出檁托板上溜槽寬度。該做法不僅可以固定檁條，也可以適應(yīng)網(wǎng)殼由于溫度變化所產(chǎn)生的變形，減少主體結(jié)構(gòu)的用鋼量。

4 結(jié)論與建議

本文按照規(guī)范要求，借助有限元軟件，結(jié)合工程實踐，對大跨度三心圓網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行設(shè)計及優(yōu)化，得出以下結(jié)論：罕遇地震作用下，大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部變形，但整體滿足“大震不倒”要求；建議刪除支座處水平系桿，該做法可釋放桿件溫度應(yīng)力，可大幅度減小支座反力，使得結(jié)構(gòu)受力更為合理；優(yōu)化支座節(jié)點可簡化施工工藝；通過增大伸縮縫間距，局部增設(shè)弦桿，將伸縮縫處檁條設(shè)置為縱向可滑動檁條，可減少網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)主體用鋼量。