李紅雨，陳世虎

歐洲規(guī)范在大跨度熟料儲棚鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

Application of Europe Standard in Large Span Clinker Storage Shed Steel Structure

李紅雨，陳世虎

本文以應(yīng)用于水泥廠中的大跨度熟料儲棚鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房為例，采用歐洲規(guī)范進行設(shè)計，以通用有限元軟件SAP2000進行結(jié)構(gòu)分析，對項目實施過程中遇到的問題及采用歐洲規(guī)范的大體過程進行概括性介紹，以期對歐洲規(guī)范的應(yīng)用有一個大體的認識。

歐洲規(guī)范；SAP2000；大跨度熟料儲棚；鋼結(jié)構(gòu)

隨著中國企業(yè)“走出去”戰(zhàn)略步伐的加快，涉外工程也逐漸增多，歐洲規(guī)范、美國規(guī)范等也被越來越多的項目合同要求采用，而國內(nèi)對于其相關(guān)的研究及應(yīng)用尚處在起步階段。本文以采用歐洲規(guī)范進行設(shè)計的大跨度熟料儲棚鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房為例，對項目實施過程中遇到的問題及采用歐洲規(guī)范進行設(shè)計的過程進行介紹，以加深中國企業(yè)對歐洲規(guī)范應(yīng)用的認識。

在水泥工廠中，儲棚或堆棚結(jié)構(gòu)以其醒目的外部結(jié)構(gòu)形式以及鮮艷的色彩為大家所熟識。儲棚或堆棚以儲存物料或?qū)α暇癁槟康模谡麠l生產(chǎn)線中起關(guān)鍵的中繼作用，作為一個重要節(jié)點存在。隨著水泥生產(chǎn)線的日趨大型化，為適應(yīng)生產(chǎn)的需要，儲棚結(jié)構(gòu)的單體建筑面積以及跨度也越來越大，這也相應(yīng)造成了該結(jié)構(gòu)的用鋼量及造價在整條水泥線的投資中占據(jù)更大的比重，因此，結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計、優(yōu)化是一件很有意義的工作。

1工程概況

本工程地處非洲幾內(nèi)亞，熱帶地區(qū)，靠海，年最低/最高溫度分別為+ 22/+35°C，處于非地震區(qū)，基本風(fēng)速（10min平均時距、離地10m高度處）為136 km/h，按歐洲規(guī)范計算，基本速度壓力為0.89kN/m2，從氣象條件來看，本工程溫差很小，風(fēng)載很大，風(fēng)載為主要控制工況。

熟料儲棚結(jié)構(gòu)跨度為43.5m，全長139.5m（其中儲棚長133m，另外附加邊側(cè)寬6.5m的轉(zhuǎn)運站），桁架中間部分柱距為7.5m，兩側(cè)靠近山墻部分柱距6.5m，共計17榀平面桁架及2榀剛架式山墻，桁架間通過縱向系桿及四道分別設(shè)置于中間及邊部的縱向和水平支撐形成穩(wěn)定體系，儲棚結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

2地勘問題

從20世紀50年代以來，我國一直實行工程建設(shè)的勘察、設(shè)計與施工三個階段的體制，分別由勘察、設(shè)計和施工三種不同類型的單位實施。這種體制的特點是勘察、設(shè)計與施工單位之間的分工明確，三種不同性質(zhì)的單位各對其所負責(zé)的階段工作負責(zé)，以勘察報告和設(shè)計圖紙為檢查的依據(jù)，工程責(zé)任非常明確。但是實際工作總是相互聯(lián)系、相互制約的，人為劃分的界限總有交叉和不太合理的問題，如地基承載力的確定，其不僅與地質(zhì)條件有關(guān)，也和工程條件有關(guān)，是在地基基礎(chǔ)設(shè)計過程中，根據(jù)基礎(chǔ)的實際埋置深度和平面尺寸，經(jīng)承載力極限狀態(tài)和正常使用狀態(tài)兩種設(shè)計狀態(tài)的計算和檢驗，最終取用的綜合取值。在市場經(jīng)濟國家，巖土工程勘察和巖土工程設(shè)計是由一個單位、一個工種來完成，從而避免了這種體制所帶來的結(jié)構(gòu)性矛盾。

圖1 縱斷面圖

在接觸涉外工程的地勘報告時，由于體制與文化的差異，地勘報告的形式與國內(nèi)有很大的不同。這些地勘報告對于試驗數(shù)據(jù)的描述十分詳盡，卻不像國內(nèi)地勘報告一樣為我們得出結(jié)論，這種方式給工程師的設(shè)計工作帶來很大困難，對工程師提出了更高的要求。針對這種狀況，需要我們的工程師具有巖土和地質(zhì)工程師的相關(guān)知識來認清報告意圖并對實驗數(shù)據(jù)加以轉(zhuǎn)化，如試驗標(biāo)準、土的分類、地基設(shè)計準則、沉降分析等方面，從而最終得到巖土的相關(guān)性質(zhì)進而開展地基設(shè)計工作。

圖2 橫斷面圖

3模型建立

本工程采用一款國際通用的有限元軟件SAP2000進行建模、分析及設(shè)計，其對歐洲規(guī)范、美國規(guī)范有很好的適應(yīng)性，在國外項目中有很高的認同度。由于該項目具有典型的平面結(jié)構(gòu)的特征，按兩種思路分別建立結(jié)構(gòu)模型，第一種選取單榀結(jié)構(gòu)建立模型（圖3），第二種建立三維模型整體考慮（圖4），對兩方案進行分析對比，選取不利工況作為設(shè)計最終結(jié)果取用。

4荷載及荷載組合

4.1 荷載

作用于儲棚結(jié)構(gòu)上的主要荷載與作用有：結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、積灰荷載、樓面（屋面）活荷載、風(fēng)荷載以及溫度作用等，對于結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、積灰荷載、樓面（屋面）活荷載等按規(guī)定輸入即可，對于平面模型分析中未考慮溫度作用，三維模型中則考慮溫度作用（假設(shè)結(jié)構(gòu)閉合溫度為30°C，溫差按±13℃考慮）。

儲棚結(jié)構(gòu)屬大跨度結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的控制荷載，風(fēng)載的計算歐洲規(guī)范提供以下兩種方法：

（1）矢量求和法：作用于整個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的風(fēng)力Fw可以通過外部壓力Fw，e、內(nèi)部壓力Fw，i和風(fēng)引起的摩擦力Ffr矢量求和確定，見式（1）。

式中：

（2）力系數(shù)法：對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如桁架結(jié)構(gòu)、表面壓力分布取決于雷諾數(shù)的結(jié)構(gòu)和形狀彎曲的結(jié)構(gòu)，如圓柱體、球體，可以采用力系數(shù)法進行計算，可以采用EN1991-1-4規(guī)定的不同結(jié)構(gòu)的力系數(shù)cf來確定風(fēng)的合力，見式（2）。

本結(jié)構(gòu)采用矢量求和法求得風(fēng)荷載施加于模型，由于結(jié)構(gòu)體型的原因，壓力系數(shù)含多種工況，給結(jié)構(gòu)計算帶來很大的工作量，可根據(jù)實際情況，列選幾種最不利風(fēng)載工況進行分析計算，一些不起決定作用的工況可以忽略以減小計算工作量。

4.2 荷載組合

在歐洲規(guī)范中，對承載能力極限狀態(tài)，EN1990給出基本組合，見式（3），可選組合見式（4）、式（5）。

承載能力極限狀態(tài)的校核涉及靜力平衡（EQU）、結(jié)構(gòu)承載力（STR）和地基承載力（GEO）三個方面，不同的情況及不同的國家附錄對荷載組合的要求是不同的，針對本項目，選取以下荷載組合進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖3 單榀結(jié)構(gòu)平面模型

圖4 三維模型

圖5 基礎(chǔ)剖面示意圖

（1）承載能力極限狀態(tài)

（2）基礎(chǔ)組合（基礎(chǔ)設(shè)計時采用）

（3）正常使用極限狀態(tài)

式中：

W——風(fēng)荷載

5結(jié)果分析

（1）由于本工程風(fēng)載很大，基礎(chǔ)設(shè)計時為控制工況，造成基礎(chǔ)尺寸很大達到4m×7m。此外儲棚周邊布置有擋墻，設(shè)計時需統(tǒng)一考慮，對此，可按實際情況將桁架柱獨立基礎(chǔ)及擋墻設(shè)計為分離式或者整體式。分離式計算方便，但很難保證施工及工程質(zhì)量。整體式（圖5）可以分為兩部分計算：擋墻及獨立基礎(chǔ)單位計算，計算獨立基礎(chǔ)要將擋墻計算的附加重力、剪力及彎矩加于其上，考慮不利組合一起計算，綜合考慮，選取整體式基礎(chǔ)作為最終設(shè)計方案。

（2）雖然結(jié)構(gòu)平面具有典型的平面特征，按常規(guī)應(yīng)將其按平面考慮，不過在分析中發(fā)現(xiàn)，溫度作用對結(jié)構(gòu)的影響也是可觀的，邊部帶撐部分的桿件及支撐構(gòu)件的內(nèi)力都有一定程度的增大，出于安全的考慮，將由平面桁架組成的大體量結(jié)構(gòu)體系按實際情況整體建立三維模型。本項目由于溫度作用較小，未設(shè)計溫度縫，在溫度作用較大的情況，應(yīng)在適當(dāng)位置設(shè)置溫度縫以從構(gòu)造上減小溫度作用，除此外，對于支撐構(gòu)件也應(yīng)盡量布置于結(jié)構(gòu)的中部。

（3）在單榀平面結(jié)構(gòu)下的結(jié)構(gòu)計算結(jié)果反映：在風(fēng)載工況下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的位移，已經(jīng)接近限值要求；而在三維模型分析下，結(jié)構(gòu)的變形較小，由于側(cè)向構(gòu)件的加入使結(jié)構(gòu)縱向剛度變大且在風(fēng)載作用下結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)應(yīng)力重分布從而使變形減小，整體模型更能真實反映結(jié)構(gòu)的受力。

（4）按照我們通常的設(shè)計習(xí)慣，對于由強度控制的構(gòu)件，通常采用Q345鋼或更高強度的鋼材，受力較小的地方會采用Q235鋼，不同強度的材料混用在同一結(jié)構(gòu)上，但是按歐洲規(guī)范的設(shè)計習(xí)慣及要求，這一作法是不被推薦使用的，因此，為了節(jié)省鋼材，我們的結(jié)構(gòu)構(gòu)件全部采用Q345鋼。

[1]貢金鑫,車軼,李榮慶.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].中國建筑工業(yè)出版社,北京：2009.8.

[2]高大釗.土力學(xué)與巖土工程師[M].人民交通出版社,北京：2008.8.■

TQ172.612

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1001-6171（2014）02-0104-03

天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，天津300400；

2013-09-05；編輯：趙蓮