鋼柱一索桁架結構在儲煤倉工程中的應用及分析

段香鑫 李聰聰

關鍵詞：SAP2000;鋼柱一索桁架儲煤倉結構;大跨度;對比分析

隨著國家經濟的不斷發展，露天煤場對自然環境的污染也日益嚴重，所以對儲煤倉進行全封閉改造是國家政策的明確要求。目前應用最廣泛的全封閉式儲煤倉是鋼結構儲煤倉，然而鋼結構儲煤倉依然存在高空作業多帶來的墜落風險大、焊接難度大、費用較高的問題。若將鋼柱一索桁架結構應用于儲煤倉，其不僅具有和普通鋼結構儲煤倉相似的優點，還可解決普通鋼結構儲煤倉存在造型不夠靈活、高空作業較多、屋面系統自重大且用鋼量較多的問題。同時符合現代工業對快速、大規模生產的要求，并結合儲煤倉現有的結構形式，對鋼柱一索桁架結構形式是否適用于儲煤倉進行研究。

1鋼柱一索桁架儲煤倉結構體系的確立

根據實際儲煤倉的初步構件設置，確定鋼柱一索桁架儲煤倉結構構件主要包括鋼桁架、鋼柱、檁條、拉條、屋面板、墻面板、索桁架、連系索。通過SAP2000軟件對45米跨度鋼柱一索桁架儲煤倉結構的構件形式、截面種類進行優化及對比分析，確立一個完整的鋼柱一索桁架儲煤倉結構體系。在鋼結構體系中鋼柱的截面形式通常選用H型鋼，因為其具有強度高、截面模數大等特點，所以鋼柱的截面形式將采用H型鋼。其他具體構件見下文。鋼柱一索桁架儲煤倉結構體系如圖1所示。

1.1檁條及拉條的確定

本結構檁條的截面形式采用c型鋼，其特點為：c型鋼經熱卷板冷彎加工而成，壁薄自重輕，截面性能優良，強度高。拉條主要材料一般為Q235線材生產。鋼柱一索桁架結構體系中墻面檁條將采用標準截面，間距為1.5米。本結構柱距為9m，需設置兩道拉條。

1.2墻面板及屋面板類型的確定

以經濟實用、設計跨度較大、安裝便捷為前提，選用適用于鋼柱一索桁架柔性屋面的HV-125（YX38-152-914型）壓型鋼板，墻面板將采用HV-248壓型鋼板，其特點為有效利用面積大、經濟實用、波峰規則、視感清潔美觀。

1.3鋼桁架構件截面形式的確定

鋼桁架截面形式的優化是在給定的約束條件下最大極限使用每個構件，從而達到降低工程成本的目的。本文將采用最為常見的三種構件種類（圓鋼、角鋼、方鋼管）進行優化和對比分析。根據三種構件截面種類（圓鋼、角鋼、方鋼管）優化結果可知，三種截面的鋼桁架在風荷載主導的最不利荷載下，節點位移、變形特征以及具體數值相似，應力分布以及最大拉壓應力數值相似。在考慮節省鋼材以及構件連接簡便的前提下，鋼柱一索桁架結構采用L型角鋼作為鋼桁架的構件種類。

1.4索桁架形式的確定

由于鋼柱一索桁架結構屋面是柔性的且用于儲煤倉，以經濟實用性、設計跨度較大、安裝便捷為前提，所以鋼柱索桁架屋面板選用適用于柔性屋面的HV-125（YX38-152-914型）壓型鋼板，墻面板將采用HV-248壓型鋼板，其特點為有效利用面積大，經濟實用;波峰規則，視感清潔、美觀，螺釘隱藏在波谷內。

1.5三種索桁架形式的對比分析

由表1可知，斜腹桿平行交叉式索桁架不論是索直徑還是屋面整體位移都是不如倒斜腹桿平行魚腹式索桁架和倒斜腹桿交錯車幅式索桁架的，所以首先排除斜腹桿平行交叉式索桁架作為最終結構形式。雖然倒斜腹桿交錯車幅式索桁架和斜腹桿平行魚腹式索桁架構件相比，存在內部凈空大、構件應力相似且屋面位移相對較小，但是由于車幅式索桁架中部沒有任何坡度是平行于水平面的，且變形形式為中部凹陷，所以存在排水問題無法解決。而倒斜腹桿平行魚腹式索桁架中部存在較大坡度利于排水，且中部節點位移也足夠小，所以鋼柱一索桁架結構的最終索桁架形式選取為倒平行魚腹式索桁架結構形式。

2 90m跨度鋼柱一索桁架結構儲煤倉的性能分析

90m跨度鋼柱一索桁架結構儲煤倉的實際工程概況：整體模型采用鋼柱一魚腹式索桁架結構。模型跨度為90m，縱向長度117m，主柱柱距為9m，高18m，抗風柱柱距為9m，高18～20.9m。其中主柱邊界條件為剛接，抗風柱邊界條件為兩端鉸接。幾何構件圖如圖2所示。

通過有限元軟件SAP2000對90m跨度鋼柱一索桁架結構進行多次構件截面及預應力荷載的優化調整，得到最終構件截面的設計結果，之后對設計結果進行構件驗算，確保構件設計的安全性。其設計構件截面數據如表2所示：

荷載類型：恒荷載：（結構自重）。

積灰荷載：0.75kN/m2。

活荷載：0.5kN/mE。

基本雪壓：0.25kN/m2。

積雪分布系數：1或2。

活荷載和雪荷載取較大值計算，如果最大值一樣，活荷載相比雪荷載在荷載組合中更為不利，所以將采用活荷載進行計算。

驗算結果整理與分析。由表3可知，在索桁架中所有構件的應力均為拉應力，最大拉應力為890MPa出現在斜拉索處，連系索與上下弦索內應力在250～600MPa之間且應力分布均勻，且最大應力結果小于拉索的容許值的=1960MPa的三分之二，滿足《索結構技術規程》中的應力設計要求。撐桿中同時存在拉壓應力，最大拉應力為246MPa，分布在索桁架的中部，最大壓應力為260MPa，分布在索桁架的邊部，且最大拉壓應力均小于300MPa，滿足《新鋼結構設計手冊》中桿件強度設計要求。屋面的最大撓度為490mm，分布在屋面中間位置，屋面四周撓度僅有20mm左右的撓度變化，滿足儲煤倉的排水需求，且跨中撓度結果遠遠小于結構總跨度的十五分之一，滿足《索結構技術規程》中的撓度設計要求。主柱的應力以受壓為主，最大壓應力為260MPa，由于抗風柱不承受豎向荷載，所以拉應力較大為170MPa。主柱中最大拉壓應力均小于300MPa，滿足《新鋼結構設計手冊》中桿件強度設計要求。主柱柱頂的最大位移為45.5mm，抗風柱的最大位移為132mm，遠遠小于L/150，滿足GB50017《鋼結構設計標準》撓度設計標準。鋼桁架中同時存在拉壓應力，最大拉應力為230MPa，最大壓應力為255MPa，且均小于300MPa，滿足《新鋼結構設計手冊》中桿件強度設計要求。鋼桁架x方向的最大位移為45.5mm，Y方向最大位移為60mm，變形情況均為由中心向兩側逐步遞減，且均小于L/400，滿足GB50017《鋼結構設計標準》的撓度設計標準。本結構中墻面檁條的強度及撓度驗算雖沒有詳細給出，但在設計時也滿足上述規范要求。通過SAP2000的鋼結構設計板塊中對90米跨度的鋼柱一索桁架結構的進行穩定性驗算，結果顯示鋼柱一索桁架結構滿足穩定性要求。綜上，90米跨度的鋼柱一索桁架儲煤倉結構體系具有安全性和穩定性。

3結論

（1）鋼柱一索桁架結構體系可適用于儲煤倉工程，且鋼柱一索桁架結構體系中主要構件包括鋼桁架、鋼柱、檁條、拉條、屋面板、墻面板、索桁架、連系索。

（2）鋼柱應選用H型鋼、鋼桁架應采用L型角鋼，并將其豎向放置、墻面檁條應采用c型鋼、拉條應選用雙層拉條，且應在檁條三分點處布置兩道拉條。

（3）鋼柱索桁架屋面板應選用HV一125壓型鋼板，墻面板應采用HV-248壓型鋼板。鋼柱一索桁架中最優的索桁架結構形式為三種索桁架形式（交叉式、魚腹式、車幅式）中的倒斜腹桿平行魚腹式索桁架結構形式。

（4）通過對鋼柱一索桁架體系進行構件截面的具體設計以及強度變形驗算顯示，該體系在大跨度儲煤倉工程的使用中是具有安全性、穩定性的。

（5）本文對常用跨度進行的優化設計，其設計的構件尺寸在相同使用條件下，能夠給相似工程提供數據參考。分析結果表明隨著鋼柱一索桁架結構跨度的逐步增加，連系索的直徑基本保持不變。