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

李紅雨，陳世虎

歐洲規(guī)范在大跨度熟料儲(chǔ)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(chǔ)棚鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房為例，采用歐洲規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，以通用有限元軟件SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中遇到的問(wèn)題及采用歐洲規(guī)范的大體過(guò)程進(jìn)行概括性介紹，以期對(duì)歐洲規(guī)范的應(yīng)用有一個(gè)大體的認(rèn)識(shí)。

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

隨著中國(guó)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(guó)規(guī)范等也被越來(lái)越多的項(xiàng)目合同要求采用，而國(guó)內(nèi)對(duì)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(jìn)行設(shè)計(jì)的大跨度熟料儲(chǔ)棚鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房為例，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中遇到的問(wèn)題及采用歐洲規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程進(jìn)行介紹，以加深中國(guó)企業(yè)對(duì)歐洲規(guī)范應(yīng)用的認(rèn)識(shí)。

在水泥工廠中，儲(chǔ)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(shí)。儲(chǔ)棚或堆棚以儲(chǔ)存物料或?qū)?chǔ)料均化為目的，在整條生產(chǎn)線中起關(guān)鍵的中繼作用，作為一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)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(chǔ)棚結(jié)構(gòu)的單體建筑面積以及跨度也越來(lái)越大，這也相應(yīng)造成了該結(jié)構(gòu)的用鋼量及造價(jià)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(jì)、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(shí)距、離地10m高度處）為136 km/h，按歐洲規(guī)范計(jì)算，基本速度壓力為0.89kN/m2，從氣象條件來(lái)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(chǔ)棚結(jié)構(gòu)跨度為43.5m，全長(zhǎng)139.5m（其中儲(chǔ)棚長(zhǎng)133m，另外附加邊側(cè)寬6.5m的轉(zhuǎn)運(yùn)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(jì)17榀平面桁架及2榀剛架式山墻，桁架間通過(guò)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(chǔ)棚結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、圖2。

2地勘問(wèn)題

從20世紀(jì)50年代以來(lái)，我國(guó)一直實(shí)行工程建設(shè)的勘察、設(shè)計(jì)與施工三個(gè)階段的體制，分別由勘察、設(shè)計(jì)和施工三種不同類型的單位實(shí)施。這種體制的特點(diǎn)是勘察、設(shè)計(jì)與施工單位之間的分工明確，三種不同性質(zhì)的單位各對(duì)其所負(fù)責(zé)的階段工作負(fù)責(zé)，以勘察報(bào)告和設(shè)計(jì)圖紙為檢查的依據(jù)，工程責(zé)任非常明確。但是實(shí)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(wèn)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(jì)過(guò)程中，根據(jù)基礎(chǔ)的實(shí)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(jì)狀態(tài)的計(jì)算和檢驗(yàn)，最終取用的綜合取值。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)國(guó)家，巖土工程勘察和巖土工程設(shè)計(jì)是由一個(gè)單位、一個(gè)工種來(lái)完成，從而避免了這種體制所帶來(lái)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(bào)告時(shí)，由于體制與文化的差異，地勘報(bào)告的形式與國(guó)內(nèi)有很大的不同。這些地勘報(bào)告對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的描述十分詳盡，卻不像國(guó)內(nèi)地勘報(bào)告一樣為我們得出結(jié)論，這種方式給工程師的設(shè)計(jì)工作帶來(lái)很大困難，對(duì)工程師提出了更高的要求。針對(duì)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(shí)來(lái)認(rèn)清報(bào)告意圖并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以轉(zhuǎn)化，如試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、土的分類、地基設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、沉降分析等方面，從而最終得到巖土的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)而開(kāi)展地基設(shè)計(jì)工作。

圖2 橫斷面圖

3模型建立

本工程采用一款國(guó)際通用的有限元軟件SAP2000進(jìn)行建模、分析及設(shè)計(jì)，其對(duì)歐洲規(guī)范、美國(guó)規(guī)范有很好的適應(yīng)性，在國(guó)外項(xiàng)目中有很高的認(rèn)同度。由于該項(xiàng)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(duì)兩方案進(jìn)行分析對(duì)比，選取不利工況作為設(shè)計(jì)最終結(jié)果取用。

4荷載及荷載組合

4.1 荷載

作用于儲(chǔ)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(duì)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(duì)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(chǔ)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(jì)過(guò)程中的控制荷載，風(fēng)載的計(jì)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(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上的風(fēng)力Fw可以通過(guò)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(jiàn)式（1）。

式中：

（2）力系數(shù)法：對(duì)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(jìn)行計(jì)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(lái)確定風(fēng)的合力，見(jiàn)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(jì)算帶來(lái)很大的工作量，可根據(jù)實(shí)際情況，列選幾種最不利風(fēng)載工況進(jìn)行分析計(jì)算，一些不起決定作用的工況可以忽略以減小計(jì)算工作量。

4.2 荷載組合

在歐洲規(guī)范中，對(duì)承載能力極限狀態(tài)，EN1990給出基本組合，見(jiàn)式（3），可選組合見(jiàn)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(gè)方面，不同的情況及不同的國(guó)家附錄對(duì)荷載組合的要求是不同的，針對(duì)本項(xiàng)目，選取以下荷載組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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(jì)時(shí)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(jì)時(shí)為控制工況，造成基礎(chǔ)尺寸很大達(dá)到4m×7m。此外儲(chǔ)棚周邊布置有擋墻，設(shè)計(jì)時(shí)需統(tǒng)一考慮，對(duì)此，可按實(shí)際情況將桁架柱獨(dú)立基礎(chǔ)及擋墻設(shè)計(jì)為分離式或者整體式。分離式計(jì)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(jì)算：擋墻及獨(dú)立基礎(chǔ)單位計(jì)算，計(jì)算獨(dú)立基礎(chǔ)要將擋墻計(jì)算的附加重力、剪力及彎矩加于其上，考慮不利組合一起計(jì)算，綜合考慮，選取整體式基礎(chǔ)作為最終設(shè)計(jì)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(guò)在分析中發(fā)現(xiàn)，溫度作用對(duì)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(shí)際情況整體建立三維模型。本項(xiàng)目由于溫度作用較小，未設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(huì)出現(xiàn)應(yīng)力重分布從而使變形減小，整體模型更能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的受力。

（4）按照我們通常的設(shè)計(jì)習(xí)慣，對(duì)于由強(qiáng)度控制的構(gòu)件，通常采用Q345鋼或更高強(qiáng)度的鋼材，受力較小的地方會(huì)采用Q235鋼，不同強(qiáng)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(jì)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(chē)軼,李榮慶.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].中國(guó)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

A

1001-6171（2014）02-0104-03

天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300400；

2013-09-05；編輯：趙蓮