港口工程煤棚空間網殼結構設計

牟 偉

(山東省港口集團日照港集團有限公司，山東 日照276800)

隨著我國經濟的發展，煤炭、礦粉等散貨的貯運量不斷增加，由此帶來的粉塵污染問題越來越引起行業重視。隨著國家相關環保政策的相繼發布，煤場的揚塵問題已成為政府管理的重點。為適應國家和水運行業對港口綠色發展的要求，促進行業綠色健康發展，封閉煤棚的應用日益廣泛。封閉煤棚能夠有效減少煤塵排放量、控制揚塵問題、改善環境質量。由于煤棚平面尺寸較大，且內部空間需要滿足工藝作業要求，因此空間網殼結構是經常采用的結構形式。目前有關煤棚空間網殼結構的研究文獻并不多見，已有文獻多集中于結構形式選取原則方面[1-2]，缺乏對設計中具體的分析要求和要點的闡述。為系統總結分析空間網殼結構分析與設計問題，本文結合日照港石臼港區西區“散改集”工藝及環保提升項目煤棚空間網殼結構，對其設計原則和設計要點等進行了分析。

1 工程概況

日照港石臼港區西區“散改集”工藝及環保提升項目位于日照港石臼港區西作業區中部、集裝箱鐵路卸車線東側、港西十三路西側、港西三十六路北側、港西三十路南側區域。新建焦炭裝箱工藝煤棚，并配套卸車堆料、取料裝箱系統及配套設施設備，年作業量為220萬t焦炭(11萬TEU)。煤棚建筑投影尺寸為360 m×75 m(長×寬)，總建筑面積為2.7萬m2。主體結構采用落地空間網殼結構，網殼結構跨度360 m、寬71.5 m，網殼厚度為2.55 m，采用3D3S軟件進行設計，SAP2000軟件進行校核。

2 結構形式選取

根據《空間網格結構技術規程》[3]，常用網殼結構可采用單層或雙層形式，曲面可采用球面、圓柱面、雙層拋物面、橢圓拋物面等曲面形式，其中雙層網殼可由兩向、三向交叉的桁架體系或由四角錐體系、三角錐體系等組成。根據工程尺寸特點和工藝使用要求，初步分析確定采用正放四角錐雙層圓柱面網殼結構形式，采用螺栓球網架節點，從整體結構受力、空間使用要求角度出發，并結合地區使用經驗，結構采用下弦支承形式。結構平面和剖面見圖1。

圖1 結構平面和剖面

3 結構分析原則

3.1 分析內容

空間網殼結構主要進行重力荷載、風荷載、地震等作用下的位移和內力計算，空間結構的內力和位移一般按彈性理論計算。對于非地震狀況，作用和作用效應組合按《建筑結構荷載規范》[4]進行計算，桿件截面和節點設計按作用基本組合效應確定內力設計值；對于地震狀況，地震組合的效應按《建筑抗震設計規范》[5]計算。位移驗算中，按作用的標準組合效應計算其撓度。

3.2 邊界條件處理

空間網殼結構一般應根據結構形式、支座節點的位置、數量和構造情況以及支撐結構的剛度確定合理的邊界約束條件。本文中支座節點的邊界約束條件，按實際構造采用水平向可側移、豎向固定的彈性支座。空間結構分析考慮上部空間結構與下部支撐結構的相互影響，一般有3種處理方式：1)把上部空間結構折算等效剛度和等效質量作為下部支撐結構分析時的條件；2)把下部支撐結構折算等效剛度和等效質量作為上部空間結構分析時的條件；3)將上、下部結構整體分析。其中第1種處理方式較為常用，本文也選取第1種方式考慮上下部結構的相互影響。

3.3 有限元分析基本方程

按有限元法進行空間結構靜力計算時，基本方程為：

KU=F

(1)

式中：K為空間結構總彈性剛度矩陣；U為空間結構節點位移向量；F為空間結構節點荷載向量。

網殼穩定性計算采用考慮幾何非線性的有限元法，即荷載-位移全過程分析。除考慮滿跨均布荷載外，還考慮了半跨活荷載分布的情況。

4 結構分析參數和指標限值

4.1 結構分析參數

根據《建筑結構可靠性設計統一標準》[6]，本工程結構安全等級為二級，設計使用年限為50 a，結構重要性系數采用1.0。根據《建筑工程抗震設防分類標準》[7]，本工程抗震設防類別為丙類。結構采用正放四角錐雙層圓柱面網殼結構和螺栓球節點。網架構件采用《低合金高強度結構鋼》[8]中規定的Q355B圓鋼管。螺栓球采用《優質碳素結構鋼》[9]規定的45號鋼。模型中采用的結構分析參數為：屈服強度355 MPa，彈性模量206 GPa，剪切模量79 GPa，線膨脹系數1.2×10-5℃-1，泊松比0.30。

4.2 指標限值

根據網殼結構計算內容，結構需要計算的設計指標主要有桿件應力比、長細比和撓度。根據《空間網格結構技術規程》《鋼結構設計標準》[10]和工程實踐經驗，各項設計指標限值見表1。

表1 設計指標限值

5 網殼結構計算分析

5.1 結構有限元模型

空間網殼結構節點按鉸接考慮，桿件只承受軸向力，各單元連接處滿足變形協調條件。采用空間桿系有限元法進行計算分析，建立的空間網殼結構有限元模型見圖2，其中桿件總數為22 312個，節點總數為5 716個。

圖2 空間網殼結構有限元分析模型

5.2 作用和作用組合

5.2.1恒荷載

作用于結構上的恒荷載主要包括結構自身重力；上弦恒荷載(屋面荷載)0.25 kN/m2；下弦恒荷載0.05 kN/m2；馬道恒荷載1.00 kN/m。

5.2.2活荷載

作用于結構上的活荷載主要包括上弦活荷載(不上人屋面)0.50 kN/m2；馬道活荷載1.00 kN/m。

5.2.3風荷載

根據《建筑結構荷載規范》，本工程所處地面粗糙度類別為A類，50 a重現期基本風壓取0.40 kN/m2。風荷載根據基本風壓、風振系數、體形系數等進行計算后施加于結構。

5.2.4溫度作用

溫度作用考慮最大溫升工況和最大溫降工況，溫度作用標準值分別為40、-40 ℃。空間網殼結構因溫度變化而產生的內力，將溫差引起的桿件端部反力作為等效荷載反向作用于桿件兩端節點上，然后通過有限元法進行分析。

5.2.5地震作用

根據地質勘察資料，本工程場地類別為II類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第三組，場地特征周期為0.45 s。地震作用采用振型分解反應譜法進行計算，將地震工況施加在空間網殼結構上。計算的結構前十階自振周期見表2。結構前6階振型見圖3。

表2 結構前十階自振周期

圖3 結構前6階振型

5.2.6作用組合

作用組合按《建筑結構荷載規范》《建筑結構可靠性設計統一標準》的規定確定。考慮作用的不同施加位置和不同作用的不利組合，本文分析中考慮的作用組合共168種。

5.3 主要構件截面

通過結構分析，并通過不斷優化調整模型，使其分析結果滿足4.2節所述指標限值且滿足經濟性要求，最終確定結構的構件截面。網架桿件規格和數量見表3，球節點規格和數量見表4，結構構件所需高強螺栓見表5。

表3 網架桿件分析結果

表4 球節點數量

表5 所需高強螺栓數量

5.4 主要構件受力分析結果

5.4.1計算撓度

在作用標準組合下，結構撓度見圖4，跨中最大撓度為157 mm，小于規范限值的短向跨度的1/250(=286 mm)，滿足規范要求。

圖4 結構撓度

5.4.2桿件長細比

桿件最大長細比與限值比值為0.91(<1.0)，符合規范要求。

5.4.3桿件強度和穩定性驗算

桿件軸力見圖5a)，桿件應力見圖5b)，強度和穩定性驗算的桿件應力比最大為0.85，滿足設計指標限值要求。全部桿件應力比分布見圖6。

圖5 構件軸力與應力

圖6 桿件應力比分布

6 結論

1)網殼結構空間特征明顯，采用有限元法進行結構整體分析可較好地模擬其受力特性，分析流程為作用計算→作用組合→內力計算分析→構件截面設計→細部構造設計。其中作用組合時，須根據使用要求對各種作用的類型和作用位置進行最不利組合。

2)根據工程平面尺寸和工藝使用要求，煤棚采用正放四角錐雙層圓柱面網殼、螺栓球網架節點、下弦支承的空間結構形式。

3)通過有限元計算分析優化，結構最大撓度為157 mm，最大長細比為137，最大應力比為0.85。各項設計指標均滿足設計限值要求。

4)日照港石臼港區西區散改集工藝及環保提升項目煤棚工程空間網殼結構于2021年建成，目前使用情況良好，可為類似工程提供參考。