張勇豪,蔣永揚(yáng),金 枝,趙雪霞

(浙江中南建設(shè)集團(tuán)鋼結(jié)構(gòu)有限公司,浙江 杭州 310052)

隨著社會(huì)對(duì)能源、基礎(chǔ)設(shè)施需求的日益增加,電力、煤炭、水泥等行業(yè)中用于儲(chǔ)煤、儲(chǔ)料的大型干煤棚結(jié)構(gòu)設(shè)施得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用。而干煤棚的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)初,當(dāng)時(shí)的露天煤場(chǎng)容易受到環(huán)境影響,煤塵會(huì)隨著風(fēng)四處擴(kuò)散,對(duì)周?chē)沫h(huán)境造成污染。為解決這個(gè)問(wèn)題,人們采用封閉儲(chǔ)煤倉(cāng)代替了露天儲(chǔ)煤場(chǎng),對(duì)燃煤進(jìn)行加蓋,防止雨淋和揚(yáng)塵,使燃煤堆放符合環(huán)保及建設(shè)用地要求。

本文以某干煤棚項(xiàng)目為背景,介紹了一種超大跨度干煤棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并與傳統(tǒng)的干煤棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較,通過(guò)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證新設(shè)計(jì)方案的合理性。

1 工程概況

該煤場(chǎng)建筑縱向長(zhǎng)度272 m,橫向跨度233 m,擬建干煤棚占地面積約64 308 m2。建筑內(nèi)部有兩臺(tái)斗輪機(jī)同時(shí)進(jìn)行工作,每臺(tái)斗輪機(jī)的橫向作業(yè)寬度約94.60 m,作業(yè)高度約30.51 m,建筑內(nèi)部工藝界面圖見(jiàn)圖1。該工程結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí),結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年。結(jié)構(gòu)火災(zāi)危險(xiǎn)性為丙類(lèi),耐火等級(jí)為二級(jí),耐火極限為1.0 h。

圖1 建筑內(nèi)部工藝界面圖(mm)

2 結(jié)構(gòu)選型

干煤棚結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)首先要滿(mǎn)足相關(guān)設(shè)備對(duì)操作空間的要求,以便根據(jù)實(shí)際情況確定合理的結(jié)構(gòu)方案。其中,斗輪機(jī)的工藝界面是需要考慮的重點(diǎn),斗輪機(jī)工作時(shí),需滿(mǎn)足上部結(jié)構(gòu)可以繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)設(shè)備在一定角度范圍內(nèi)堆、取料作業(yè)；同時(shí)內(nèi)部車(chē)可以沿軌道行走,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備在整個(gè)料場(chǎng)范圍內(nèi)作業(yè)[1]。通常采用正放四角錐雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式[2],該結(jié)構(gòu)形式優(yōu)美、用鋼量低、剛度較好、傳力形式簡(jiǎn)潔。根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 7—2010)》[3]的規(guī)定,該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的厚度宜取寬度的1/20～1/50。

2.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

1)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式一

將煤棚設(shè)計(jì)成兩跨相同的三心圓雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖2。經(jīng)初步選型可得相關(guān)幾何參數(shù)如下：跨度113 m,厚度3.8 m,拱高40.52 m,三心圓半徑中大圓半徑為134.45 m，小圓半徑為26.228 m。

圖2 傳統(tǒng)形式一網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)剖面圖(mm)

2)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式二

將煤棚設(shè)計(jì)成單跨三心圓雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖3。經(jīng)初步選型可得相關(guān)幾何參數(shù)如下：跨度233 m,厚度3.75 m,拱高36.57 m,三心圓半徑中大圓半徑為273.57 m，小圓半徑為28.429 m。

圖3 傳統(tǒng)形式二網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)剖面圖(mm)

2.2 新型結(jié)構(gòu)形式

在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式二的基礎(chǔ)上,在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)跨中設(shè)置1道Y型支撐。該Y型支撐結(jié)構(gòu)由上部V型鋼架和下部混凝土柱構(gòu)成,V型鋼架立于混凝土柱上,整體結(jié)構(gòu)的剖面和軸側(cè)圖見(jiàn)圖4。

圖4 中間設(shè)Y型支撐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)剖面圖(mm)

2.3 結(jié)構(gòu)形式對(duì)比分析

1)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式一與新型結(jié)構(gòu)形式對(duì)比

為滿(mǎn)足斗輪機(jī)空間使用要求,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式一落地拱腳的角度比單鉸拱網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)所需的落腳角度更大,且結(jié)構(gòu)拱高也有所增加,同時(shí)還需考慮兩網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中部積灰、積雪等荷載的影響,使得該結(jié)構(gòu)形式所需用鋼量增加,且結(jié)構(gòu)中部的天溝處理相對(duì)也較繁瑣,與新型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式相比經(jīng)濟(jì)性較差。

2)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式二與新型結(jié)構(gòu)形式對(duì)比

當(dāng)采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式二設(shè)計(jì)時(shí),正放四角錐雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)雖能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)大跨度的要求,但因結(jié)構(gòu)跨度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)撓度及桿件應(yīng)力均難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在死循環(huán)(即增大桿件截面,會(huì)導(dǎo)致重量增加,從而增大撓度),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。

而新型結(jié)構(gòu)形式能夠有效地減少網(wǎng)殼中間的最大豎向位移,在保證結(jié)構(gòu)大跨度要求的同時(shí),相比于普通的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),大大地提高了結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間利用率,并節(jié)省了用鋼量及施工成本。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

為更好地研究傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式二與新型結(jié)構(gòu)形式的差異性,特選擇相同的幾何參數(shù)和桿件建立有限元計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)比分析如下。

3.1 結(jié)構(gòu)建模

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中建立結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行計(jì)算分析,選擇桿件的規(guī)格共15種,為：Ф75.5×3.75，Ф102×4，Ф114×4，Ф127×4，Ф140×4，Ф152×4，Ф159×6，Ф159×8，Ф180×8，Ф180×10，Ф219×10，Ф219×12，Ф219×14，Ф245×12，Ф245×14。計(jì)算模型見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 傳統(tǒng)形式二網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(不含山墻面)

圖6 新型結(jié)構(gòu)形式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(不含山墻面)

3.2 荷載工況及組合

結(jié)合工程情況,并參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 50009—2012)》[4]和《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》[5]中的相關(guān)規(guī)定,需考慮的荷載工況如下：①恒荷載 0.30 kN/m2(屋面板+檁條自重,承重結(jié)構(gòu)重量程序自動(dòng)計(jì)算)；②活荷載 0.30 kN/m2(用于主承受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))；0.50 kN/m2(用于檁條設(shè)計(jì))；③雪荷載 基本雪壓 0.45 kN/m2(50年一遇)；④風(fēng)荷載 基本風(fēng)壓0.40 kN/m2(50年一遇)；地面粗糙度B類(lèi)；⑤地震荷載 抗震設(shè)防烈度為7度；⑥溫度作用 累年年平均氣溫為13.1℃,累年極端溫度為-25.1℃～42.8℃。

共考慮156種荷載組合,為方便研究,現(xiàn)選取5種典型荷載組合進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,所選荷載組合見(jiàn)表1。

表1 典型荷載組合情況

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

兩種結(jié)構(gòu)形式下的結(jié)構(gòu)豎向最大位移值及典型桿件應(yīng)力比對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3。

表2 兩種結(jié)構(gòu)形式的最大位移值 mm

表3 典型桿件在兩種結(jié)構(gòu)形式中的應(yīng)力比

由表2、表3可得：①采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式二設(shè)計(jì)時(shí),在組合4作用下,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)位移最大為3 422.08 mm>l/250=932 mm(容許撓度值),在組合2作用下,結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比最大為7.69>0.85,無(wú)法滿(mǎn)足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 7—2010)》中的相關(guān)設(shè)計(jì)要求。②采用新型結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)時(shí),在組合4作用下,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)位移最大為323.25 mm

經(jīng)對(duì)比分析可得：在設(shè)計(jì)條件(構(gòu)件尺寸、截面型號(hào)、材質(zhì)、荷載條件等)完全相同的前提下,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式與新型結(jié)構(gòu)形式相比,典型構(gòu)件的最大應(yīng)力比由7.69下降到0.78,結(jié)構(gòu)豎向位移最大值由3 422.08 mm下降到299.25 mm,應(yīng)力比減小近10倍,最大豎向位移值減小約12倍,充分體現(xiàn)出新型結(jié)構(gòu)形式在承載能力和剛度上的優(yōu)勢(shì)。

圖7 傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖8 新型方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述的新型結(jié)構(gòu)形式成功地解決了某233 m跨長(zhǎng)的干煤棚結(jié)構(gòu)因跨度過(guò)大引起撓度過(guò)大，在使用空間的剛需下難以設(shè)計(jì)的問(wèn)題。通過(guò)在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式跨中加設(shè)Y型支撐的方式,將單跨233 m轉(zhuǎn)變?yōu)?跨116.5 m,同時(shí),考慮到下部使用空間,在一定高度范圍內(nèi)設(shè)置混凝土柱,在混凝土柱上部設(shè)置V型鋼架支撐,增加上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn),既不影響結(jié)構(gòu)空間的使用,也能為上部結(jié)構(gòu)提供多個(gè)支撐點(diǎn),不僅可以減小網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的撓度,還能克服局部桿件內(nèi)力集中的問(wèn)題,也能降低用鋼量,可保證結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力及結(jié)構(gòu)撓度均滿(mǎn)足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50017—2003)》要求。該設(shè)計(jì)方案可以為同類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。