柱面網(wǎng)殼儲煤棚設計探討

吳英家

(大同煤礦集團設計研究有限責任公司，山西 大同 037003)

1 工程概況

本工程為某礦業(yè)公司煤場封閉工程。工程位置位于大同市云岡區(qū)某礦業(yè)公司主井工業(yè)場地內(nèi)，煤場西側緊鄰運煤鐵路專線，東側為口泉河溝。整個煤場在清煤后的場地比較平整，分為兩個矩形：一個可用矩形場地橫向寬度54 m，橫向無高差，縱向長度84 m，設計為儲煤棚一；第二個可用矩形場地橫向寬度45 m，橫向無高差，縱向長度84 m，設計為儲煤棚二。場地位于8度區(qū)(0.2g)，場地為填溝形成，表層雜填土10 m～15 m厚度不等，以下分別為卵石層及砂巖層。本文以煤棚一為例進行闡述。

2 結構選型

因現(xiàn)場有較大的存煤量要求，建設單位要求地面以上設置10 m高擋煤墻，然后在擋煤墻上部做鋼結構封閉。另外，擋煤墻上部有原有輸煤鋼棧橋通過，上部鋼結構部分應預留孔洞，以便原有輸煤棧橋通過。考慮存煤高度較大，本工程下部采用扶壁式鋼筋混凝土擋煤墻，上部鋼結構采用圓柱面網(wǎng)殼，這樣也與相鄰的已經(jīng)建成的精煤棚(鋼結構部分為20 m高圓柱面網(wǎng)殼)相延續(xù)，設計采用矢高為20 m的圓柱面網(wǎng)殼，整體看起來比較美觀。同時，圓柱面網(wǎng)殼受力性能好，節(jié)約鋼材，經(jīng)濟效益好。

3 計算模型的邊界條件確定

根據(jù)《網(wǎng)格規(guī)程》[1]第4.1.6條，空間網(wǎng)格結構分析時，應考慮上部空間網(wǎng)格結構與下部支承結構的相互影響。空間網(wǎng)格結構的協(xié)同分析可以把下部支承結構折算等效剛度和等效質(zhì)量作為上部空間網(wǎng)格結構分析時的條件，也可以將上、下部結構整體分析。由于一般網(wǎng)殼結構桿件數(shù)量很多，考慮到計算條件有限，本工程網(wǎng)殼計算設計軟件采用同濟大學的3D3S進行單獨的分析與截面優(yōu)化，并考慮下部支承結構的影響。組裝模型利用YJK建模計算，主要用于整體結構分析驗算。

本工程下部支承結構為擋煤墻的扶壁柱，柱頂高度13.000 m，柱頂不設聯(lián)系梁，擋煤墻頂部高度為10.000 m，每隔3 m設置扶壁墻，見圖1。網(wǎng)殼結構模型的水平支承剛度與下部支承結構密切相關，如何確定網(wǎng)殼彈性支座剛度，是確定合理的邊界約束的關鍵。在下部支承結構斷面較大且高度不大的情況下，假定支承剛度無窮大時，僅考慮網(wǎng)殼支座的剛度對網(wǎng)殼計算分析結果影響不大，但是當下部支承結構高度較大時，很明顯要考慮支承結構和支座剛度的串聯(lián)作用。

網(wǎng)殼長度84 m，支座間距9 m，局部12 m，開洞處6 m。考慮網(wǎng)殼跨度較大且縱向長度較大，網(wǎng)殼縱邊支座設計為雙向板式橡膠支座，支座球節(jié)點平動得以約束，通過橡膠墊的剪切及壓縮變形模擬球節(jié)點的轉動。雙支座示意圖見圖2。本工程支座橡膠墊的總厚度取50 mm，長、寬各為350 mm,橡膠層總厚度為38 mm,根據(jù)《空規(guī)》附錄K式(K.0.4-1)：

水平橫向剛度Kx0由于有短柱支擋，可視為無窮大。

網(wǎng)殼端邊(山墻)支座為固定鉸支座，考慮下部支承結構的影響，則計算模型的支座剛度為下部支承結構的剛度，可根據(jù)PKPM或YJK的模型計算出剛度。

4 荷載確定

4.1 恒載

網(wǎng)殼圍護結構為C型檁條加單層彩色壓型鋼板，上荷恒載取0.20 kN/m2,下弦考慮燈具及管道等吊掛荷載，取恒載為0.1 kN/m2,網(wǎng)殼節(jié)點自重占網(wǎng)殼總重的25%。

4.2 活荷載

依據(jù)《荷載》[2],屋面活荷載為0.5 kN/m2。依據(jù)《電廠結構規(guī)程》[3],屋面活荷載為0.3 kN/m2，本工程取活荷載為0.3 kN,并考慮半跨活荷載驗算。

4.3 雪荷載

依據(jù)《荷規(guī)》第7.1.2條，屋面活荷載取100年重現(xiàn)期的雪壓0.4 kN/m2。雪荷載按全跨積雪的均勻分布、不均勻分布和半跨積雪的均勻分布按最不利情況采用。

4.4 風荷載

場地基本風壓為0.55 kN/m2，依據(jù)《荷規(guī)》第8.1.2條，網(wǎng)殼結構屬于對風荷載敏感結構，風荷載取100年一遇風壓0.65 kN/m2。根據(jù)《荷規(guī)》8.4.2，本網(wǎng)殼工程的風振系數(shù)應有風洞試驗確定，考慮到條件有限及工期緊張，最后取3D3S軟件自動計算的結果和以往工程的風振系數(shù)的經(jīng)驗數(shù)值1.6～1.8區(qū)間做對比，取較大值。

4.5 溫度作用

由于網(wǎng)殼結構平面尺度較大，溫度變化是對結構的主要作用之一。維護采用單層壓型鋼板且無采暖，室內(nèi)外溫差為零。根據(jù)大同當?shù)鼗咀罡邭鉁丶白畹蜌鉁胤謩e為32 ℃及-22 ℃，考慮施工期主要為每年4月～10月底，設計要求施工合龍溫度在5 ℃～15 ℃之間，根據(jù)《荷規(guī)》9.3.1：

結構升溫ΔT+=32-5=27 ℃。

結構降溫ΔT-=15+22=37 ℃。

4.6 地震作用

根據(jù)《網(wǎng)格規(guī)范》4.4.2條，網(wǎng)殼結構應考慮水平及豎向地震作用，由于網(wǎng)殼模型計算時要考慮下部結構的質(zhì)量影響，將下部支承結構的質(zhì)量的一半按附加質(zhì)量輸入在模型支座節(jié)點上來近似考慮支承結構的質(zhì)量影響。

4.7 荷載組合

活荷載和雪荷載不同時考慮，雪荷載的不同工況和活荷載在3D3S中按互斥荷載輸入，荷載組合按GB 50068—2019建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準執(zhí)行。基本組合取永久荷載分項系數(shù)為1.3，可變荷載分項系數(shù)為1.5。地震組合按《抗規(guī)》[4]執(zhí)行。

5 設計指標控制

關鍵桿件(按《抗規(guī)》執(zhí)行)應力比按最大0.7控制，其他重要桿件(上下弦桿及開洞處附近桿件)應力比按最大0.8控制。次要桿件(如大多數(shù)腹桿)應力比最大為0.85。關鍵受壓桿件長細比按120控制，其他受壓桿件按180，關鍵受拉桿件長細比最大按200控制，其他受拉桿件長細比按250控制。網(wǎng)殼的最大撓度為62 mm<54 000/250=216 mm，滿足要求。本工程網(wǎng)殼部分單位用鋼量為29.4 kg/m2(投影面積，不含檁條)，經(jīng)濟效益較好。

6 結語

1)圓柱面網(wǎng)殼應用于封閉儲煤棚工程較多，適應性很好，經(jīng)濟效益好。

2)條件允許的情況下，可采用網(wǎng)殼與支承結構的組裝模型進行整體計算分析。網(wǎng)殼模型單獨計算分析時，邊界條件的確定應符合實際情況，支座剛度的正確模擬對計算影響很大。下部支承結構比較復雜的情況下，可采用計算程序確定支承剛度。

3)網(wǎng)殼結構對風、雪荷載比較敏感，對風、雪荷載的確定按100年一遇確定，并考慮雪荷載的不利布置。同時，也要合理確定合龍溫度，保證溫度作用的計算準確。

4)考慮到網(wǎng)殼桿件尺寸、厚度等有負公差及施工高空作業(yè)，桿件及節(jié)點的應力比控制不宜控制的太大，一般不超過0.9，否則有安全隱患。