大跨度門式干煤棚網殼結構整體穩定性能分析

方志慶，李長春，干夢軍

（1. 中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063；2. 安徽淮南洛能發電有限責任公司，安徽 淮南 232008）

0 引言

近年來，為了進一步加強空氣污染防治、有效改善環境空氣質量，相關部門陸續出臺了一系列環境保護政策。其中，規定儲煤場應采用筒倉、條形或者圓形封閉形式，因此需要將大量原有的露天煤炭儲存轉換為封閉式煤炭儲存，而干煤棚結構也逐步在實際工程中得到了推廣和應用[1]。

由于大跨度空間結構的自身特點，穩定成為大跨度干煤棚設計領域中的重中之重。例如門式干煤棚網殼結構，該結構跨度大、矢跨比小，存在整體失穩或局部失穩發生的可能性，在桿件應力比計算的基礎下，進行結構整體穩定的計算，評估結構的整體穩定性能是該類結構設計的重要環節之一。

網殼的穩定性可按考慮幾何非線性的有限元法（即荷載—位移全過程分析）進行計算，分析中可假定材料為彈性，也可考慮材料的彈塑性。對于大型和形狀復雜的網殼結構宜采用考慮材料彈塑性的全過程分析方法[2]。本文基于某門式干煤棚網殼結構的整體穩定性分析，主要包括特征值屈曲分析和非線性穩定分析，其中通過引入初始幾何缺陷進行非線性分析，研究不同初始幾何缺陷下位移—荷載曲線變化形態，并比較整體結構的極限承載力的差異，為類似的實際工程提供參考和建議。本文中的門式干煤棚網殼結構體型尺寸適中，并且結構外形和荷載均大致對稱，故假定材料為彈性，不考慮材料的彈塑性。

1 工程概況

某干煤棚縱向長度160 m，跨度114 m，最高高度約為43 m，可以覆蓋兩個煤場。由于煤場內采用門式斗輪機，故干煤棚采取門式網殼結構外形設計予以匹配，干煤棚剖面圖如圖1所示。

圖1 干煤棚剖面圖

本門式網殼結構設計使用年限為50 a；結構安全等級為二級；抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.10 g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類；地面粗糙度為B類。主要的荷載取值如表1所示。

表1 結構主要荷載取值

本門式網殼結構采用MIDAS GEN軟件建立了三維有限元分析模型，結構計算分析模型示意圖，如圖2所示，直段和曲線段交接處應力較大采用三層網殼，其他區域為雙層網殼，網架厚度為3 m，支座為鉸接，縱向支座間距為8 m，桿件采用桁架單元。

圖2 結構計算分析模型

2 結構特征值屈曲分析

特征值屈曲分析屬于線性分析，雖然和實際工程不相符，但仍可以從結構特征值屈曲分析中得到結構穩定的基本特征，為非線性分析奠定基礎，起到初步評估的作用[2]。

根據JGJ 7—2010《空間網格結構技術規程》[3]規定要求，本網殼結構特征值屈曲分析采用的荷載組合如表2所示，提取模型中前20階屈曲因子，選取結構的最不利荷載工況組合進行計算和分析。不同荷載組合中的荷載加載示意圖，如圖3～圖6所示。

表2 結構荷載組合表

圖3 1.0恒載加載示意圖

圖4 1.0滿跨活載加載示意圖

圖5 1.0活載工況1（右半跨滿跨）加載示意圖

圖6 1.0活載工況2（左半跨滿跨）加載示意圖

如表3所示，荷載工況組合1（1.0恒載+1.0滿跨活載）的屈曲因子最小，安全儲備較小，是網殼結構特征值屈曲分析時的最不利情況，故選荷載組合1對結構進行線性屈曲分析及后續的幾何非線性穩定分析。

表3 各荷載組合下結構的前20階屈曲因子

續表

計算分析得到的結構荷載組合1（1.0恒載+1.0滿跨活載）的典型的屈曲模態圖，如圖7～圖10所示。

圖7 第1階屈曲模態

圖8 第16階屈曲模態

圖9 第19階屈曲模態

圖10 第20階屈曲模態

3 結構幾何非線性分析

干煤棚網殼結構在加工制作、運輸和現場安裝過程中，不可避免地存在不同程度的初始幾何缺陷[4-5]，故進行網殼全過程分析時應考慮初始幾何缺陷的影響，初始幾何缺陷分布可采用結構的最低階屈曲模態，其缺陷最大計算值可參照JGJ 7—2010《空間網格結構技術規程》的規定，取值為網殼跨度的1/300，對于本網殼的結構，即380 mm。

為了研究不同初始幾何缺陷下的荷載—位移曲線的形態以及結構極限承載力的差別，分別建立不同初始幾何缺陷下的計算分析模型，其各自對應的荷載—位移曲線，如圖11所示。其中荷載系數為網殼結構穩定極限承載力除以荷載取標準值（1.0恒載+1.0活載工況1），L為網殼跨度。

圖11 不同初始幾何缺陷情況下的荷載—位移曲線

由圖11可見，不同初始幾何缺陷下的結構荷載—位移曲線總的形態基本一致，該曲線大致可分為三段：①在荷載加載的初期階段，荷載及位移值都相對較小，兩者之間基本呈現線性變化的狀態，而且位移增加的同時，荷載增大的速率也較快；②荷載—位移曲線兩者之間仍基本呈現線性變化的狀態，但荷載隨著位移增加而增大的速率相比第一階段有所減緩；③荷載—位移曲線由初始的線性逐漸轉化為曲線，非線性的形態逐漸顯現，當位移值達到某值時，荷載值達到第一個臨界點處的荷載值，且隨著位移的增加荷載突然減小，該突變點對應的荷載值為結構的臨界荷載，此時結構開始失穩。

不同初始幾何缺陷情況下，結構失穩時的變形形態基本一致，和結構特征值屈曲分析時的第1階屈曲模態相似，均為網殼結構平面內失穩，如圖12所示。

圖12 結構整體失穩變形形態（初始幾何缺陷為L/300）

如表4所示，比較了不同初始幾何缺陷情況下荷載系數，從表中可見：①初始隨著初始幾何缺陷的增大，相應結構的荷載系數逐漸減小。相比無初始缺陷的結構，初始缺陷為L/500、L/300和L/200的荷載荷載系數分別減小了約3.34%、4.81%和9.73%，可見本網殼結構的非線性對網架的整體穩定性能的影響不可忽視；②初始幾何缺陷取為網殼跨度的1/300時，結構的荷載系數為16.24。

表4 不同初始幾何缺陷情況下荷載系數

4 結語

本文以114 m跨門式干煤棚網殼結構為研究對象，分別建立了考慮不同初始幾何缺陷下結構模型，經過計算分析和研究得出：

1）滿跨活荷載分布下結構的屈曲因子最小；

2）不同初始幾何缺陷情況下的結構荷載—位移曲線總的形態基本一致，隨著施加位移的增大，荷載—位移曲線的非線性形態逐漸顯現；不同初始幾何缺陷情況下，結構失穩時的變形形態基本一致，都為網殼結構平面內失穩；

3）初始隨著初始幾何缺陷的增大，相應結構的荷載系數均有不同程度的減小；

4）結構的非線性對網架的整體穩定性能的影響不可忽視，實際結構設計過程中應予以重視；

5）對于大跨度門式網架，建議在直段和曲線段交接處應力較大處，采用三層網殼予以加強。