吳英家

(大同煤礦集團(tuán)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

1 工程概況

本工程為某礦業(yè)公司煤場封閉工程。工程位置位于大同市云岡區(qū)某礦業(yè)公司主井工業(yè)場地內(nèi)，煤場西側(cè)緊鄰運(yùn)煤鐵路專線，東側(cè)為口泉河溝。整個(gè)煤場在清煤后的場地比較平整，分為兩個(gè)矩形：一個(gè)可用矩形場地橫向?qū)挾?4 m，橫向無高差，縱向長度84 m，設(shè)計(jì)為儲(chǔ)煤棚一；第二個(gè)可用矩形場地橫向?qū)挾?5 m，橫向無高差，縱向長度84 m，設(shè)計(jì)為儲(chǔ)煤棚二。場地位于8度區(qū)(0.2g)，場地為填溝形成，表層雜填土10 m～15 m厚度不等，以下分別為卵石層及砂巖層。本文以煤棚一為例進(jìn)行闡述。

2 結(jié)構(gòu)選型

因現(xiàn)場有較大的存煤量要求，建設(shè)單位要求地面以上設(shè)置10 m高擋煤墻，然后在擋煤墻上部做鋼結(jié)構(gòu)封閉。另外，擋煤墻上部有原有輸煤鋼棧橋通過，上部鋼結(jié)構(gòu)部分應(yīng)預(yù)留孔洞，以便原有輸煤棧橋通過?？紤]存煤高度較大，本工程下部采用扶壁式鋼筋混凝土擋煤墻，上部鋼結(jié)構(gòu)采用圓柱面網(wǎng)殼，這樣也與相鄰的已經(jīng)建成的精煤棚(鋼結(jié)構(gòu)部分為20 m高圓柱面網(wǎng)殼)相延續(xù)，設(shè)計(jì)采用矢高為20 m的圓柱面網(wǎng)殼，整體看起來比較美觀。同時(shí)，圓柱面網(wǎng)殼受力性能好，節(jié)約鋼材，經(jīng)濟(jì)效益好。

3 計(jì)算模型的邊界條件確定

根據(jù)《網(wǎng)格規(guī)程》[1]第4.1.6條，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分析時(shí)，應(yīng)考慮上部空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)的相互影響?？臻g網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的協(xié)同分析可以把下部支承結(jié)構(gòu)折算等效剛度和等效質(zhì)量作為上部空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分析時(shí)的條件，也可以將上、下部結(jié)構(gòu)整體分析。由于一般網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件數(shù)量很多，考慮到計(jì)算條件有限，本工程網(wǎng)殼計(jì)算設(shè)計(jì)軟件采用同濟(jì)大學(xué)的3D3S進(jìn)行單獨(dú)的分析與截面優(yōu)化，并考慮下部支承結(jié)構(gòu)的影響。組裝模型利用YJK建模計(jì)算，主要用于整體結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算。

本工程下部支承結(jié)構(gòu)為擋煤墻的扶壁柱，柱頂高度13.000 m，柱頂不設(shè)聯(lián)系梁，擋煤墻頂部高度為10.000 m，每隔3 m設(shè)置扶壁墻，見圖1。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型的水平支承剛度與下部支承結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如何確定網(wǎng)殼彈性支座剛度，是確定合理的邊界約束的關(guān)鍵。在下部支承結(jié)構(gòu)斷面較大且高度不大的情況下，假定支承剛度無窮大時(shí)，僅考慮網(wǎng)殼支座的剛度對(duì)網(wǎng)殼計(jì)算分析結(jié)果影響不大，但是當(dāng)下部支承結(jié)構(gòu)高度較大時(shí)，很明顯要考慮支承結(jié)構(gòu)和支座剛度的串聯(lián)作用。

網(wǎng)殼長度84 m，支座間距9 m，局部12 m，開洞處6 m。考慮網(wǎng)殼跨度較大且縱向長度較大，網(wǎng)殼縱邊支座設(shè)計(jì)為雙向板式橡膠支座，支座球節(jié)點(diǎn)平動(dòng)得以約束，通過橡膠墊的剪切及壓縮變形模擬球節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。雙支座示意圖見圖2。本工程支座橡膠墊的總厚度取50 mm，長、寬各為350 mm,橡膠層總厚度為38 mm,根據(jù)《空規(guī)》附錄K式(K.0.4-1)：

水平橫向剛度Kx0由于有短柱支擋，可視為無窮大。

網(wǎng)殼端邊(山墻)支座為固定鉸支座，考慮下部支承結(jié)構(gòu)的影響，則計(jì)算模型的支座剛度為下部支承結(jié)構(gòu)的剛度，可根據(jù)PKPM或YJK的模型計(jì)算出剛度。

4 荷載確定

4.1 恒載

網(wǎng)殼圍護(hù)結(jié)構(gòu)為C型檁條加單層彩色壓型鋼板，上荷恒載取0.20 kN/m2,下弦考慮燈具及管道等吊掛荷載，取恒載為0.1 kN/m2,網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)自重占網(wǎng)殼總重的25%。

4.2 活荷載

依據(jù)《荷載》[2],屋面活荷載為0.5 kN/m2。依據(jù)《電廠結(jié)構(gòu)規(guī)程》[3],屋面活荷載為0.3 kN/m2，本工程取活荷載為0.3 kN,并考慮半跨活荷載驗(yàn)算。

4.3 雪荷載

依據(jù)《荷規(guī)》第7.1.2條，屋面活荷載取100年重現(xiàn)期的雪壓0.4 kN/m2。雪荷載按全跨積雪的均勻分布、不均勻分布和半跨積雪的均勻分布按最不利情況采用。

4.4 風(fēng)荷載

場地基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2，依據(jù)《荷規(guī)》第8.1.2條，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屬于對(duì)風(fēng)荷載敏感結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載取100年一遇風(fēng)壓0.65 kN/m2。根據(jù)《荷規(guī)》8.4.2，本網(wǎng)殼工程的風(fēng)振系數(shù)應(yīng)有風(fēng)洞試驗(yàn)確定，考慮到條件有限及工期緊張，最后取3D3S軟件自動(dòng)計(jì)算的結(jié)果和以往工程的風(fēng)振系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值1.6～1.8區(qū)間做對(duì)比，取較大值。

4.5 溫度作用

由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)平面尺度較大，溫度變化是對(duì)結(jié)構(gòu)的主要作用之一。維護(hù)采用單層壓型鋼板且無采暖，室內(nèi)外溫差為零。根據(jù)大同當(dāng)?shù)鼗咀罡邭鉁丶白畹蜌鉁胤謩e為32 ℃及-22 ℃，考慮施工期主要為每年4月～10月底，設(shè)計(jì)要求施工合龍溫度在5 ℃～15 ℃之間，根據(jù)《荷規(guī)》9.3.1：

結(jié)構(gòu)升溫ΔT+=32-5=27 ℃。

結(jié)構(gòu)降溫ΔT-=15+22=37 ℃。

4.6 地震作用

根據(jù)《網(wǎng)格規(guī)范》4.4.2條，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮水平及豎向地震作用，由于網(wǎng)殼模型計(jì)算時(shí)要考慮下部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量影響，將下部支承結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的一半按附加質(zhì)量輸入在模型支座節(jié)點(diǎn)上來近似考慮支承結(jié)構(gòu)的質(zhì)量影響。

4.7 荷載組合

活荷載和雪荷載不同時(shí)考慮，雪荷載的不同工況和活荷載在3D3S中按互斥荷載輸入，荷載組合按GB 50068—2019建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行?；窘M合取永久荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.3，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.5。地震組合按《抗規(guī)》[4]執(zhí)行。

5 設(shè)計(jì)指標(biāo)控制

關(guān)鍵桿件(按《抗規(guī)》執(zhí)行)應(yīng)力比按最大0.7控制，其他重要桿件(上下弦桿及開洞處附近桿件)應(yīng)力比按最大0.8控制。次要桿件(如大多數(shù)腹桿)應(yīng)力比最大為0.85。關(guān)鍵受壓桿件長細(xì)比按120控制，其他受壓桿件按180，關(guān)鍵受拉桿件長細(xì)比最大按200控制，其他受拉桿件長細(xì)比按250控制。網(wǎng)殼的最大撓度為62 mm<54 000/250=216 mm，滿足要求。本工程網(wǎng)殼部分單位用鋼量為29.4 kg/m2(投影面積，不含檁條)，經(jīng)濟(jì)效益較好。

6 結(jié)語

1)圓柱面網(wǎng)殼應(yīng)用于封閉儲(chǔ)煤棚工程較多，適應(yīng)性很好，經(jīng)濟(jì)效益好。

2)條件允許的情況下，可采用網(wǎng)殼與支承結(jié)構(gòu)的組裝模型進(jìn)行整體計(jì)算分析。網(wǎng)殼模型單獨(dú)計(jì)算分析時(shí)，邊界條件的確定應(yīng)符合實(shí)際情況，支座剛度的正確模擬對(duì)計(jì)算影響很大。下部支承結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況下，可采用計(jì)算程序確定支承剛度。

3)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)、雪荷載比較敏感，對(duì)風(fēng)、雪荷載的確定按100年一遇確定，并考慮雪荷載的不利布置。同時(shí)，也要合理確定合龍溫度，保證溫度作用的計(jì)算準(zhǔn)確。

4)考慮到網(wǎng)殼桿件尺寸、厚度等有負(fù)公差及施工高空作業(yè)，桿件及節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力比控制不宜控制的太大，一般不超過0.9，否則有安全隱患。