牟 偉

(山東省港口集團(tuán)日照港集團(tuán)有限公司，山東 日照276800)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭、礦粉等散貨的貯運(yùn)量不斷增加，由此帶來(lái)的粉塵污染問(wèn)題越來(lái)越引起行業(yè)重視。隨著國(guó)家相關(guān)環(huán)保政策的相繼發(fā)布，煤場(chǎng)的揚(yáng)塵問(wèn)題已成為政府管理的重點(diǎn)。為適應(yīng)國(guó)家和水運(yùn)行業(yè)對(duì)港口綠色發(fā)展的要求，促進(jìn)行業(yè)綠色健康發(fā)展，封閉煤棚的應(yīng)用日益廣泛。封閉煤棚能夠有效減少煤塵排放量、控制揚(yáng)塵問(wèn)題、改善環(huán)境質(zhì)量。由于煤棚平面尺寸較大，且內(nèi)部空間需要滿足工藝作業(yè)要求，因此空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是經(jīng)常采用的結(jié)構(gòu)形式。目前有關(guān)煤棚空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的研究文獻(xiàn)并不多見(jiàn)，已有文獻(xiàn)多集中于結(jié)構(gòu)形式選取原則方面[1-2]，缺乏對(duì)設(shè)計(jì)中具體的分析要求和要點(diǎn)的闡述。為系統(tǒng)總結(jié)分析空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)問(wèn)題，本文結(jié)合日照港石臼港區(qū)西區(qū)“散改集”工藝及環(huán)保提升項(xiàng)目煤棚空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，對(duì)其設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)要點(diǎn)等進(jìn)行了分析。

1 工程概況

日照港石臼港區(qū)西區(qū)“散改集”工藝及環(huán)保提升項(xiàng)目位于日照港石臼港區(qū)西作業(yè)區(qū)中部、集裝箱鐵路卸車線東側(cè)、港西十三路西側(cè)、港西三十六路北側(cè)、港西三十路南側(cè)區(qū)域。新建焦炭裝箱工藝煤棚，并配套卸車堆料、取料裝箱系統(tǒng)及配套設(shè)施設(shè)備，年作業(yè)量為220萬(wàn)t焦炭(11萬(wàn)TEU)。煤棚建筑投影尺寸為360 m×75 m(長(zhǎng)×寬)，總建筑面積為2.7萬(wàn)m2。主體結(jié)構(gòu)采用落地空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)跨度360 m、寬71.5 m，網(wǎng)殼厚度為2.55 m，采用3D3S軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，SAP2000軟件進(jìn)行校核。

2 結(jié)構(gòu)形式選取

根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]，常用網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(jù)工程尺寸特點(diǎn)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(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式，采用螺栓球網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)，從整體結(jié)構(gòu)受力、空間使用要求角度出發(fā)，并結(jié)合地區(qū)使用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)采用下弦支承形式。結(jié)構(gòu)平面和剖面見(jiàn)圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)平面和剖面

3 結(jié)構(gòu)分析原則

3.1 分析內(nèi)容

空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)主要進(jìn)行重力荷載、風(fēng)荷載、地震等作用下的位移和內(nèi)力計(jì)算，空間結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移一般按彈性理論計(jì)算。對(duì)于非地震狀況，作用和作用效應(yīng)組合按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]進(jìn)行計(jì)算，桿件截面和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)按作用基本組合效應(yīng)確定內(nèi)力設(shè)計(jì)值；對(duì)于地震狀況，地震組合的效應(yīng)按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]計(jì)算。位移驗(yàn)算中，按作用的標(biāo)準(zhǔn)組合效應(yīng)計(jì)算其撓度。

3.2 邊界條件處理

空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)一般應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、支座節(jié)點(diǎn)的位置、數(shù)量和構(gòu)造情況以及支撐結(jié)構(gòu)的剛度確定合理的邊界約束條件。本文中支座節(jié)點(diǎn)的邊界約束條件，按實(shí)際構(gòu)造采用水平向可側(cè)移、豎向固定的彈性支座?？臻g結(jié)構(gòu)分析考慮上部空間結(jié)構(gòu)與下部支撐結(jié)構(gòu)的相互影響，一般有3種處理方式：1)把上部空間結(jié)構(gòu)折算等效剛度和等效質(zhì)量作為下部支撐結(jié)構(gòu)分析時(shí)的條件；2)把下部支撐結(jié)構(gòu)折算等效剛度和等效質(zhì)量作為上部空間結(jié)構(gòu)分析時(shí)的條件；3)將上、下部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的相互影響。

3.3 有限元分析基本方程

按有限元法進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算時(shí)，基本方程為：

KU=F

(1)

式中：K為空間結(jié)構(gòu)總彈性剛度矩陣；U為空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移向量；F為空間結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)荷載向量。

網(wǎng)殼穩(wěn)定性計(jì)算采用考慮幾何非線性的有限元法，即荷載-位移全過(guò)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(jié)構(gòu)分析參數(shù)和指標(biāo)限值

4.1 結(jié)構(gòu)分析參數(shù)

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[6]，本工程結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50 a，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)采用1.0。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[7]，本工程抗震設(shè)防類別為丙類。結(jié)構(gòu)采用正放四角錐雙層圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和螺栓球節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)架構(gòu)件采用《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》[8]中規(guī)定的Q355B圓鋼管。螺栓球采用《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》[9]規(guī)定的45號(hào)鋼。模型中采用的結(jié)構(gòu)分析參數(shù)為：屈服強(qiáng)度355 MPa，彈性模量206 GPa，剪切模量79 GPa，線膨脹系數(shù)1.2×10-5℃-1，泊松比0.30。

4.2 指標(biāo)限值

根據(jù)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)容，結(jié)構(gòu)需要計(jì)算的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要有桿件應(yīng)力比、長(zhǎng)細(xì)比和撓度。根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10]和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)限值見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)限值

5 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

5.1 結(jié)構(gòu)有限元模型

空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)按鉸接考慮，桿件只承受軸向力，各單元連接處滿足變形協(xié)調(diào)條件。采用空間桿系有限元法進(jìn)行計(jì)算分析，建立的空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖2，其中桿件總數(shù)為22 312個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為5 716個(gè)。

圖2 空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上的恒荷載主要包括結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fēng)荷載

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，本工程所處地面粗糙度類別為A類，50 a重現(xiàn)期基本風(fēng)壓取0.40 kN/m2。風(fēng)荷載根據(jù)基本風(fēng)壓、風(fēng)振系數(shù)、體形系數(shù)等進(jìn)行計(jì)算后施加于結(jié)構(gòu)。

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(biāo)準(zhǔn)值分別為40、-40 ℃?？臻g網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)因溫度變化而產(chǎn)生的內(nèi)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(jié)點(diǎn)上，然后通過(guò)有限元法進(jìn)行分析。

5.2.5地震作用

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，本工程場(chǎng)地類別為II類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地特征周期為0.45 s。地震作用采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算，將地震工況施加在空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)上。計(jì)算的結(jié)構(gòu)前十階自振周期見(jiàn)表2。結(jié)構(gòu)前6階振型見(jiàn)圖3。

表2 結(jié)構(gòu)前十階自振周期

圖3 結(jié)構(gòu)前6階振型

5.2.6作用組合

作用組合按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定確定?？紤]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(gòu)件截面

通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，并通過(guò)不斷優(yōu)化調(diào)整模型，使其分析結(jié)果滿足4.2節(jié)所述指標(biāo)限值且滿足經(jīng)濟(jì)性要求，最終確定結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面。網(wǎng)架桿件規(guī)格和數(shù)量見(jiàn)表3，球節(jié)點(diǎn)規(guī)格和數(shù)量見(jiàn)表4，結(jié)構(gòu)構(gòu)件所需高強(qiáng)螺栓見(jiàn)表5。

表3 網(wǎng)架桿件分析結(jié)果

表4 球節(jié)點(diǎn)數(shù)量

表5 所需高強(qiáng)螺栓數(shù)量

5.4 主要構(gòu)件受力分析結(jié)果

5.4.1計(jì)算撓度

在作用標(biāo)準(zhǔn)組合下，結(jié)構(gòu)撓度見(jiàn)圖4，跨中最大撓度為157 mm，小于規(guī)范限值的短向跨度的1/250(=286 mm)，滿足規(guī)范要求。

圖4 結(jié)構(gòu)撓度

5.4.2桿件長(zhǎng)細(xì)比

桿件最大長(zhǎng)細(xì)比與限值比值為0.91(<1.0)，符合規(guī)范要求。

5.4.3桿件強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算

桿件軸力見(jiàn)圖5a)，桿件應(yīng)力見(jiàn)圖5b)，強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算的桿件應(yīng)力比最大為0.85，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)限值要求。全部桿件應(yīng)力比分布見(jiàn)圖6。

圖5 構(gòu)件軸力與應(yīng)力

圖6 桿件應(yīng)力比分布

6 結(jié)論

1)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)空間特征明顯，采用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析可較好地模擬其受力特性，分析流程為作用計(jì)算→作用組合→內(nèi)力計(jì)算分析→構(gòu)件截面設(shè)計(jì)→細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)。其中作用組合時(shí)，須根據(jù)使用要求對(duì)各種作用的類型和作用位置進(jìn)行最不利組合。

2)根據(jù)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(wǎng)殼、螺栓球網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)、下弦支承的空間結(jié)構(gòu)形式。

3)通過(guò)有限元計(jì)算分析優(yōu)化，結(jié)構(gòu)最大撓度為157 mm，最大長(zhǎng)細(xì)比為137，最大應(yīng)力比為0.85。各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)限值要求。

4)日照港石臼港區(qū)西區(qū)散改集工藝及環(huán)保提升項(xiàng)目煤棚工程空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)于2021年建成，目前使用情況良好，可為類似工程提供參考。