李志峰

（寧夏煤炭基本建設(shè)有限公司，寧夏 銀川 750000）

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的主要問題

與普通鋼結(jié)構(gòu)形式不同，大跨度儲煤棚結(jié)構(gòu)普遍采用鋼管立體桁架+預(yù)應(yīng)力拉索的結(jié)構(gòu)形式。桁架結(jié)構(gòu)有三角形、四邊形或其兩者組合，上下節(jié)點(diǎn)采用相貫節(jié)點(diǎn)或球節(jié)點(diǎn)形式，這種結(jié)構(gòu)具有跨度大、重量輕、屋面面積大、運(yùn)行環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。大跨度儲煤棚結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上有一定的特殊性，需要注意以下幾個(gè)方面的問題。

1.1 桿件整體應(yīng)力水平過高，桿端局部彎矩效應(yīng)明顯

對于大跨度，特別是超大跨度的預(yù)應(yīng)力桁架儲煤棚結(jié)構(gòu)，建設(shè)單位為了節(jié)約成本，往往會對工程造價(jià)進(jìn)行嚴(yán)格控制，而設(shè)計(jì)或施工單位為了提高中標(biāo)率，也會對工程成本進(jìn)行大幅度壓縮，導(dǎo)致設(shè)計(jì)單位直接降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的整體平米用鋼量水平，盡量對結(jié)構(gòu)的用鋼量進(jìn)行優(yōu)化，從而使結(jié)構(gòu)桿件的直徑或厚度在一定程度上縮減，造成結(jié)構(gòu)成形后的整體桿件應(yīng)力水平較高，應(yīng)力儲備不足，甚至出現(xiàn)滿應(yīng)力。這就造成了結(jié)構(gòu)整體自穩(wěn)性和抵抗外界各種荷載的能力不足，很容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)垮塌。在結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力設(shè)計(jì)方面，特別是一些網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)煤棚的桿件設(shè)計(jì)時(shí)，如果對其他一些附加荷載，如節(jié)點(diǎn)重量、桿件自重等估計(jì)不足，為了保證施工順利進(jìn)行而又臨時(shí)增加一些設(shè)備荷載等情況出現(xiàn)，則可能會造成桿件應(yīng)力超出允許范圍，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)，這是設(shè)計(jì)中存在的主要問題。因此，在設(shè)計(jì)此類空間桿系結(jié)構(gòu)時(shí)，不能采用過于理想化的節(jié)點(diǎn)假設(shè)模型，因?yàn)檫@樣容易忽略節(jié)點(diǎn)剛性約束所引起的桿端彎矩，使本該為軸心受力的桿件在實(shí)際應(yīng)用中還要承擔(dān)局部彎矩的影響，出現(xiàn)截面設(shè)計(jì)不足的問題。

1.2 未充分考慮支座不均勻沉降，結(jié)構(gòu)支撐條件不清晰，支座約束條件判斷不準(zhǔn)確

對于大跨度空間結(jié)構(gòu)，特別是大跨度、超長的預(yù)應(yīng)力儲煤棚結(jié)構(gòu)來說，支座大部分是支撐在基礎(chǔ)短柱或擋煤墻上，支座間縱向軸間距較大，橫向跨度也較大，這樣的支座實(shí)際上是處于一個(gè)彈性狀態(tài)。在設(shè)計(jì)過程中，如果把此類支座的形式看作是固定鉸接于地面，不考慮支承條件的高度，則會無形中放大了約束的水平剛度，是不安全的。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行約束條件的各種假設(shè)，或者在數(shù)值計(jì)算模型中精確模擬判斷其實(shí)際約束剛度，才能保證上部支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。大距離的軸間距和跨度相對應(yīng)的基礎(chǔ)土質(zhì)的性變也較為明顯，相應(yīng)的跨間水平推力也會很大，這就容易造成豎直方向上結(jié)構(gòu)支座基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，從而帶來上部結(jié)構(gòu)各種響應(yīng)的變化，跨距方向上會因較大的水平推力使擋煤墻發(fā)生一定的水平變形，水平推力也會造成支座水平移動，形成支座的水平變位。無論哪個(gè)方向上的變形，如果過大均易造成桿件超出其極限形變狀態(tài)。在設(shè)計(jì)過程中，如果沒有充分考慮基礎(chǔ)不均勻沉降和支座強(qiáng)迫變位帶來的影響，很可能導(dǎo)致桿件在正常使用期間超出其應(yīng)力極限的情況。

1.3 忽略彎曲桿件效應(yīng)，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算不足

大跨度結(jié)構(gòu)體系，特別是預(yù)應(yīng)力類超大跨度體系多為拱形或球面結(jié)構(gòu)，弧形桿件的加工工藝一般采用冷彎或熱彎，除實(shí)際加工弧度與設(shè)計(jì)理論弧度存在偏差外，設(shè)計(jì)采用的分析軟件也多是用多段線擬合弧形桿件，從理論計(jì)算上與實(shí)際支座也存在偏差，在軸向力作用下易引起附加彎矩，如考慮不周，則設(shè)計(jì)桿件的應(yīng)力會明顯小于計(jì)算應(yīng)力，在過往的工程實(shí)例中這種偏差甚至達(dá)到10%，因此，應(yīng)特別注意。另外，對于一些跨度大結(jié)構(gòu)較薄的鋼結(jié)構(gòu)體系，對結(jié)構(gòu)的幾何非線性或者雙重非線性的穩(wěn)定分析也很重要。目前，有些軟件不能提供驗(yàn)算功能，導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)無法進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，若結(jié)構(gòu)缺乏穩(wěn)定性分析，則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全度不夠，有時(shí)在穩(wěn)定分析時(shí)，荷載情況考慮不充足等因素也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

1.4 施工方案考慮不周，沒有考慮工序的影響

大跨度預(yù)應(yīng)力張弦結(jié)構(gòu)的整體剛度由構(gòu)成結(jié)構(gòu)體系桿件的截面尺寸、節(jié)點(diǎn)形式、空間幾何形態(tài)等因素構(gòu)成。結(jié)構(gòu)整體剛度和幾何形態(tài)與施工過程和施工順序密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)在形成體系前尚未建立剛度或剛度較弱，不同的施工順序和不同的安裝合攏時(shí)間，其溫度也不同，也會造成結(jié)構(gòu)體系的幾何缺陷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)成形與理論偏差較大，從而影響結(jié)構(gòu)承載力。因此，需要對結(jié)構(gòu)的施工方案和工序進(jìn)行合理選擇并進(jìn)行嚴(yán)格控制，或者根據(jù)最終的成形狀態(tài)進(jìn)行安全性核驗(yàn)，否則有可能造成初始桿件內(nèi)力的變化，導(dǎo)致后期荷載狀態(tài)下的超載和失穩(wěn)。

2 結(jié)構(gòu)施工過程中的主要質(zhì)量問題

2.1 節(jié)點(diǎn)的隱蔽焊縫遺漏和螺栓假擰

大跨度管桁架的節(jié)點(diǎn)一般采用相貫節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)相貫處往往會出現(xiàn)多根桿件交匯的情況，通常主管直徑要比支管直徑大，這樣相貫節(jié)點(diǎn)處的各管件也會有足夠的焊接間隙。但也有特殊情況，個(gè)別支管管徑與主管管徑相近，這樣就會出現(xiàn)多根桿件相貫的情況，產(chǎn)生隱蔽焊縫。如果施工中隱蔽焊縫的焊接難度大，或設(shè)計(jì)圖紙沒有對隱蔽焊縫是否焊接提出具體明確的要求，就有可能導(dǎo)致隱蔽焊縫未施焊，從而使節(jié)點(diǎn)承載力下降。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須明確隱蔽焊縫施焊。在實(shí)際施工中，不易焊接的隱蔽焊縫可采取開手孔或截?cái)鄺U件的方法施焊，完成后再對手孔或管節(jié)進(jìn)行封閉，以完成焊縫焊接，否則，節(jié)點(diǎn)焊接施工質(zhì)量無法保證。對于螺栓球網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)儲煤棚來說，節(jié)點(diǎn)存在的主要問題是高強(qiáng)螺栓連接的問題，主要表現(xiàn)在螺栓擰入深度不夠、螺栓安裝不到位、螺栓強(qiáng)迫安裝等，該問題會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安裝偏差、節(jié)點(diǎn)承載力不足。螺栓后期在應(yīng)力作用下可能被拔出，破壞局部節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致全部結(jié)構(gòu)倒塌，特別是在高空散拼狀態(tài)下，安裝人員高空作業(yè)，螺栓施工監(jiān)護(hù)不到位，容易出現(xiàn)此類問題。

2.2 預(yù)埋件安裝偏差或支撐架穩(wěn)定性不足

大跨度結(jié)構(gòu)下部混凝土或擋墻施工往往由另一家施工單位負(fù)責(zé)。在土建預(yù)埋件施工前，結(jié)構(gòu)施工單位與基礎(chǔ)施工單位未進(jìn)行技術(shù)對接，可能造成結(jié)構(gòu)支座預(yù)埋件預(yù)埋偏差，出現(xiàn)埋件水平或標(biāo)高偏出設(shè)計(jì)位置，導(dǎo)致后續(xù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)支座定位不準(zhǔn)確，形成支座強(qiáng)迫就位，而存在支座初始應(yīng)力，在外聯(lián)荷載下有可能出現(xiàn)超應(yīng)力。支撐架穩(wěn)定性方面，主要體現(xiàn)在儲煤棚拼裝階段，很多大跨度儲煤棚拼裝采用高空原位拼裝的方法，拼裝需要搭設(shè)臨時(shí)支撐架，拼裝跨度越大，支撐架高度越高，對于150m以上大跨度結(jié)構(gòu)，支撐架高度可達(dá)40多米，在使用前，應(yīng)對這些支撐架進(jìn)行整體穩(wěn)定性以及在風(fēng)荷載、安裝荷載作用下的局部穩(wěn)定性驗(yàn)算，并分析桿件的彎曲和約束條件，否則可能因支撐架失穩(wěn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)垮塌。

2.3 拼裝、吊裝階段的驗(yàn)算不充分以及附加吊掛荷載影響

大跨度預(yù)應(yīng)力煤棚結(jié)構(gòu)的安裝通常采用原位安裝、分段吊裝、高空拼接的方法，桁架結(jié)構(gòu)需在地面進(jìn)行分段拼裝，拼裝完成后進(jìn)行吊裝組裝。因此，在分段桁架翻身、脫胎，吊裝時(shí)就會存在吊點(diǎn)選擇和承載力驗(yàn)算的問題，吊裝時(shí)應(yīng)充分考慮吊鉤起吊的放大效應(yīng)以及各節(jié)點(diǎn)、各桿件的強(qiáng)度和穩(wěn)定情況在吊裝狀態(tài)下的變化。吊點(diǎn)選擇好后不能隨意改動，否則容易造成局部鋼件屈服、斷裂。

2.4 結(jié)構(gòu)材料不合格和鋼材下差問題

近幾年，我國鋼材產(chǎn)量不斷攀升，產(chǎn)量已躍居世界前列，鋼材產(chǎn)量雖大，但質(zhì)量參差不齊，特別是一些非正規(guī)廠家生產(chǎn)的鑄件或鋼材，往往存在碳含量超標(biāo)、生產(chǎn)率低、沖擊韌性差等問題，甚至材料中可能夾雜雜質(zhì)或氣泡等，這些材料若應(yīng)用于結(jié)構(gòu)，必然會對結(jié)構(gòu)本體造成隱患。目前，結(jié)構(gòu)桿件用的鋼管主要使用的是無縫鋼管和直縫鋼管，市面上無縫鋼管普遍是上差的，而對于直縫鋼管則往往存在著負(fù)偏差，雖然符合國家規(guī)定的材料偏差標(biāo)準(zhǔn)，但在設(shè)計(jì)時(shí)往往是按正常直徑計(jì)算的管徑取值，在采購材料時(shí)，若對材料的控制不嚴(yán)有可能造成桿件的壁厚與設(shè)計(jì)的要求差距變大，用于結(jié)構(gòu)中會造成局部桿件應(yīng)力超出設(shè)計(jì)強(qiáng)度。因此，大跨度的儲煤棚在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注明不要采用具有下差的鋼管材料。

3 結(jié)構(gòu)使用過程中的侵蝕破壞問題

結(jié)構(gòu)使用過程中存在的主要問題是空氣對結(jié)構(gòu)的自然腐蝕、儲煤棚內(nèi)煤堆的侵蝕和煤粉自燃問題。目前，儲煤棚結(jié)構(gòu)由于生產(chǎn)工藝的要求，設(shè)計(jì)堆煤通常采用堆取料機(jī)兩邊對稱落地的柱面體形，但在實(shí)際使用過程中，為了增加儲煤量，往往采用推煤機(jī)、挖掘機(jī)等設(shè)備將煤堆到柱邊甚至覆蓋部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件，不但造成柱腳支座或基礎(chǔ)短柱擠壓，改變上下結(jié)構(gòu)內(nèi)力，而且長期遭受煤堆覆蓋的桿件或支座節(jié)點(diǎn)易被侵蝕破壞。煤棚內(nèi)的煤粉長期與空氣接觸會慢慢自然氧化而積熱，熱量如果不能及時(shí)釋放，則會引起煤堆自燃，這種現(xiàn)象在儲煤過程中時(shí)常出現(xiàn)，一般煤棚均設(shè)有滅火降溫設(shè)施，煤粉自燃會分解產(chǎn)生含有氮、氫、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫以及一些復(fù)雜的有機(jī)化合物，這些成分雖然含量很小，但對鋼結(jié)構(gòu)工程的腐蝕危害是不可忽視的。這些有害物質(zhì)中二氧化硫影響最大，當(dāng)空氣介質(zhì)中存在硫化氫、硫醇等有機(jī)雜質(zhì)時(shí)，這些氣體溶于空氣中的水分呈酸性體，酸性介質(zhì)環(huán)境會加重金屬表面的腐蝕，加快結(jié)構(gòu)接觸面的腐蝕速度。由于儲煤棚長期處于這種氣體侵蝕環(huán)境中工作，必須重視鋼結(jié)構(gòu)表面的防腐處理，以免影響其使用壽命。

4 對極端自然條件考慮不足

極端自然條件是指常年不遇的極端降雪和極端風(fēng)荷載條件。隨著全球氣候變化，極端天氣出現(xiàn)的頻率越來越高，特別是降雪地區(qū)的極端天氣甚至?xí)?0年的重現(xiàn)期，雖然在一些雪災(zāi)較嚴(yán)重的地區(qū)出臺了一系列特殊雪荷載的計(jì)算要求，但對于特殊地區(qū)或?qū)ρ┖奢d比較敏感的輕型結(jié)構(gòu)，還是建議按照百年降雪重現(xiàn)期考慮，尤其是預(yù)應(yīng)力張拉的桁架煤棚、拱形煤棚，這些煤棚對于雪荷載非常敏感，如果考慮不足，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抵御極端雪荷載的能力不足。對于極端的風(fēng)荷載，由于大跨度結(jié)構(gòu)屋面自重較輕，在風(fēng)荷載下，對局部屋面薄弱部位易造成破壞、脫落甚至撕裂，出現(xiàn)這些問題的主要原因是屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)考慮不足，取值偏小導(dǎo)致的。因此，超大跨度結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載取值必須采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法來獲取不同風(fēng)向下的風(fēng)壓，方能保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和安全性。

5 結(jié)構(gòu)運(yùn)營期間健康監(jiān)測不足

大跨度儲煤棚是大型企業(yè)煤場環(huán)保封閉的重要設(shè)施，結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、施工環(huán)節(jié)內(nèi)力和位移的情況是否與結(jié)構(gòu)驗(yàn)收的要求相符，以及結(jié)構(gòu)在后續(xù)的長期運(yùn)行期間能否保證安全是非常重要的考量內(nèi)容。由于大跨度煤棚結(jié)構(gòu)在運(yùn)行期間可能會因極端荷載、生產(chǎn)事故、地震外力等外部因素造成結(jié)構(gòu)本體損傷，這些損傷通常包括結(jié)構(gòu)材料特性的改變或結(jié)構(gòu)幾何體系和邊界條件體系的改變，是影響結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定和服務(wù)壽命的重要因素。因此，建議使用單位在大跨度煤棚運(yùn)行期間進(jìn)行全壽命的健康檢測。健康檢測主要是通過分析和采集結(jié)構(gòu)使用過程中隨時(shí)間推移產(chǎn)生的變化數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性分析，其內(nèi)容主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測、桿件應(yīng)力監(jiān)測、預(yù)應(yīng)力索力監(jiān)測以及結(jié)構(gòu)桿件和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的腐蝕監(jiān)測。對于監(jiān)測工作來說，監(jiān)測內(nèi)容和觀測位置需由施工單位聯(lián)合設(shè)計(jì)單位確定，一般需要檢測桿件的應(yīng)力、支座沉降和拉索索力的監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)可考慮設(shè)置在結(jié)構(gòu)上弦主管的跨中位置和兩側(cè)等分對稱點(diǎn)部位，下弦設(shè)置在拉索的兩邊點(diǎn)和跨中，應(yīng)做到對每架桁架進(jìn)行監(jiān)測。

6 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)階段應(yīng)加強(qiáng)對大跨度儲煤棚特別是超大跨度預(yù)應(yīng)力儲煤棚設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等各階段的跟蹤、監(jiān)測、監(jiān)督，對目前設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等過程中存在的問題進(jìn)行深入分析和研究，借助先進(jìn)的模擬計(jì)算模型和數(shù)據(jù)分析軟件，采用安全可靠的安裝施工方法，建立長效的檢測檢查機(jī)制，積極探尋可行性對策，從多方面采取措施確保大跨度結(jié)構(gòu)的施工安全與運(yùn)行穩(wěn)定。