大跨度儲(chǔ)煤棚網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析

袁亞芳 白 冰 李 鑫 馬文亮 白新理

(華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450011)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的大型通用計(jì)算程序相繼產(chǎn)生，使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的計(jì)算、分析與設(shè)計(jì)變得高效簡潔[1]。網(wǎng)架的輕型化特征使得網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)不但可以跨越更大的空間，還能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)格化的制作[2,3]。近年來，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)得到了廣泛發(fā)展，美國新爾良“超級育頂”，圓形直徑達(dá)到了207 m，為美國超級碗體育賽事而建，在當(dāng)時(shí)規(guī)模宏大令人嘆為觀止；日本福岡體育館，圓形穹頂設(shè)計(jì)，直徑達(dá)222 m，是目前世界上最大的球面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[4]。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)施工工藝要求高，結(jié)構(gòu)跨度大，在設(shè)計(jì)和施工方面都有很大的難度，故此類工程易發(fā)生事故。為減少結(jié)構(gòu)安全事故，日本傾向于對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的抗震性能分析和研究[5]；劉培祥等[6]提出將Midas gen有限元技術(shù)應(yīng)用于干煤棚網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的靜力和振型分析；齊月芹等[7]提出對儲(chǔ)煤棚網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，解決了多種因素下風(fēng)荷載體型系數(shù)取值問題。

為了研究大跨度儲(chǔ)煤棚網(wǎng)架靜力學(xué)性能，本文采用三維數(shù)值模擬的方法，以南陽熱電2×210 MW機(jī)組儲(chǔ)煤棚為例，分析三心圓柱面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在自重荷載、靜荷載、活荷載、風(fēng)荷載以及雪荷載等多重荷載組合作用下的靜力學(xué)特性，并總結(jié)了儲(chǔ)煤棚網(wǎng)架在各工況下的應(yīng)力應(yīng)變特征。

1 工程概況

工程名稱：南陽熱電2×210 MW機(jī)組工程，本工程位于河南省南陽市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，現(xiàn)有2×210 MW供熱機(jī)組，2臺(tái)機(jī)組分別于2008年3月和2008年5月投產(chǎn)。廠區(qū)的布置形式為三列，由南向北依次布置有：配電裝置、主廠房區(qū)、貯煤廠區(qū)等。熱電廠儲(chǔ)煤場呈東西向布置，東—西長108 m，南—北寬90 m，原設(shè)計(jì)為露天煤場，四周設(shè)有防風(fēng)抑塵網(wǎng)。2010年4月在露天煤場—東半部建設(shè)干煤棚，采用拱形鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、單層壓型鋼板圍護(hù)，外形如圖1所示。該干煤棚東—西長110 m、南—北向跨度87.8 m、拱頂高約31.35 m，工程于2010年7月15日竣工投運(yùn)。煤場西部70 m仍為露天煤場。2015年6月10日下午，南陽市出現(xiàn)大風(fēng)天氣，并伴有短時(shí)大雨，電廠廠區(qū)受此次異常天氣影響，干煤棚在風(fēng)力作用下整體垮塌，如圖2所示。

根據(jù)工程實(shí)況研究垮塌干煤棚的恢復(fù)重建方案，恢復(fù)方案中對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)并分析了結(jié)構(gòu)的受力特性，該工程的網(wǎng)架桿件截面尺寸信息見表1。

表1 桿件截面尺寸信息

2 儲(chǔ)煤棚網(wǎng)架三維數(shù)值模型

網(wǎng)架恢復(fù)方案綜合考慮結(jié)構(gòu)使用凈高要求及網(wǎng)殼矢跨比等因素，擬采用“三心圓柱面”空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由正交正放四角錐組成。網(wǎng)架長110 m，跨度87.8 m，高度36 m，網(wǎng)格厚度為2.9 m，支座高度為3.0 m，網(wǎng)架的剖面圖及側(cè)立面圖分別如圖3，圖4所示。

基于ANSYS有限元軟件建立儲(chǔ)煤棚網(wǎng)架模型，模型的尺寸及其桿件均采用實(shí)際尺寸，因而計(jì)算模型與實(shí)際網(wǎng)架干煤棚是一致的。網(wǎng)架支座是焊接的，可認(rèn)為網(wǎng)架支座和下部支承結(jié)構(gòu)為剛性連接，各節(jié)點(diǎn)的6個(gè)方向的自由度與下部支撐結(jié)構(gòu)，通過采用耦合的方式建立了節(jié)點(diǎn)自由度之間的聯(lián)系，使其兩兩相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)間的自由度具有同一個(gè)值。網(wǎng)架的有限元模型如圖5所示。

3 荷載選用與分析

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和其他形式復(fù)雜的結(jié)構(gòu)一樣，網(wǎng)架上施加的荷載決定了結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析的合理性與準(zhǔn)確性。荷載的確定按照我國現(xiàn)在正實(shí)行GB 50009—2012建筑荷載規(guī)范規(guī)定，主要的荷載形式及其計(jì)算規(guī)則如下。

3.1 恒載及活荷載

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的恒載及活荷載是指建筑結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)使用期間由各種工業(yè)活動(dòng)如檢修、安裝或設(shè)備運(yùn)輸?shù)戎匚镆鸬木植康募泻奢d，結(jié)合實(shí)際情況對荷載進(jìn)行綜合考慮后可用均布的等效活荷載替代。本工程屋面采取輕質(zhì)壓型鋼板，恒載取值為0.3 kN/m2；網(wǎng)架屋面一般不上人，根據(jù)規(guī)范取值,屋面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值取0.5 kN/m2。

3.2 雪載荷

儲(chǔ)煤棚網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因自身尺寸特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)跨度較大，因而對雪荷載較敏感，式(1)為雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算表達(dá)式，計(jì)算面積取結(jié)構(gòu)水平投影面積。

Sk=μrS0

(1)

其中，Sk,μr,S0分別為雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值、積雪分布系數(shù)以及基本雪壓。

本工程屋面活荷載為0.5 kN/m2，大于雪荷載取值，所以在分析研究網(wǎng)架時(shí)僅考慮雪荷載左、右半跨均勻分布的情況。按照我國規(guī)范規(guī)定，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值按照式(1)計(jì)算。該煤棚的屋面積雪分布系數(shù)按照式(2)計(jì)算，式(2)中的符號含義如圖6所示。

(2)

3.3 風(fēng)荷載

由于風(fēng)速的脈動(dòng)變化引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，風(fēng)荷載從本質(zhì)上屬于動(dòng)荷載。但動(dòng)力分析過程復(fù)雜，通常用等效靜力原則將風(fēng)荷載轉(zhuǎn)化為一個(gè)等效的靜力荷載，這種做法是現(xiàn)行規(guī)范允許的。

風(fēng)荷載的方向可認(rèn)為是垂直作用于儲(chǔ)煤網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的各面，其標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按式(3)計(jì)算：

ωk=βμzμsω0

(3)

其中，ω0，μs，μz，β分別為基本風(fēng)壓、體形系數(shù)、高度變化系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)。

3.4 地震作用效應(yīng)

本工程所在地地震基本烈度7度，加速度為0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，分析設(shè)計(jì)時(shí)，分別考慮了水平地震和豎向地震作用效用影響。

3.5 溫度作用效應(yīng)

作為高階超靜定結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架在均勻的溫度場變化作用下，由于結(jié)構(gòu)的特性桿件不能自由的隨著溫度的變化，熱脹冷縮導(dǎo)致桿件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力即為溫度應(yīng)力。這種作用必須在模擬計(jì)算和實(shí)際建造中加以分析研究。施工安裝完畢(網(wǎng)架支座與下部結(jié)構(gòu)連接固定牢固)時(shí)的氣溫與工程建造地區(qū)常年極高或極低氣溫值的差值為實(shí)際工程所處的溫度場的變化范圍。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，須考慮不同荷載的同時(shí)作用，根據(jù)恒載不利或有利，風(fēng)荷載控制或活載控制等不同情況，按照不同的組合系數(shù)、分項(xiàng)系數(shù)分別進(jìn)行組合[8]。荷載組合一般表達(dá)見式(4):

(4)

其中，q，qG,γo,ψc分別為組合荷載設(shè)計(jì)值、永久荷載設(shè)計(jì)值、永久荷載分項(xiàng)系數(shù)、可變荷載分項(xiàng)系數(shù)。

網(wǎng)架儲(chǔ)煤棚的受力分析共選取了11種荷載組合形式進(jìn)行計(jì)算，組合方式如表2所示。

表2 荷載組合方式

4 儲(chǔ)煤棚網(wǎng)架受力結(jié)果分析

在自重荷載作用下，網(wǎng)架的荷載僅為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)自身的重力。此時(shí)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)情況正常，沒有出現(xiàn)較大變形或喪失穩(wěn)定性，桿件沒有出現(xiàn)彎曲或斷裂的情況發(fā)生。

圖7為網(wǎng)架在自重荷載作用下的變形，在結(jié)構(gòu)的頂部產(chǎn)生了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最大位移為78.84 mm，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，儲(chǔ)煤棚網(wǎng)架結(jié)構(gòu)計(jì)算的最大位移值不得超過短向跨度的1/400。87.8 m/400=0.219 5 m>78.84 mm,顯然滿足規(guī)范要求。

圖8為網(wǎng)架的應(yīng)力云圖。由圖中顯示可知網(wǎng)架各桿件的最大拉應(yīng)力為45.8 MPa，最大壓應(yīng)力為82.8 MPa。

利用ANSYS有限元軟件逐次計(jì)算儲(chǔ)煤棚網(wǎng)架在工況1～工況11荷載作用下的應(yīng)變和應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明，在表3列出的11種工況作用下，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)情況均正常，沒有出現(xiàn)較大變形或喪失穩(wěn)定性，桿件也沒有出現(xiàn)彎曲或斷裂的情況，最大位移都出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的頂端。

由表3可知，在工況1作用下的網(wǎng)架與只有重力作用時(shí)相比，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形較為明顯，桿件內(nèi)力有較大的提高；工況2與工況1相比，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了更大的變形，桿件內(nèi)力有了更大的提高；對于工況3～工況6，隨著風(fēng)向角的變大，網(wǎng)架的變形和應(yīng)力卻不斷減?。辉诠r7～工況10作用下，風(fēng)荷載對網(wǎng)架的變形和內(nèi)力變化具有重要影響；工況11與工況1相比，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較為明顯的變形，桿件的內(nèi)力也有較大的提高。

表3 網(wǎng)架的最大位移與應(yīng)力

風(fēng)荷載對儲(chǔ)煤棚網(wǎng)架的受力具有重要的影響，為了進(jìn)一步了解儲(chǔ)煤棚網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力特性，本文選取該結(jié)構(gòu)的荷載最不利組合工況7進(jìn)行深入研究。

工況7：靜荷載與風(fēng)荷載的取值，按照經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范要求分別取基礎(chǔ)值的1.2倍與1.4倍，活載取基礎(chǔ)值的0.98倍。工況7作用下網(wǎng)架的變形和應(yīng)力分別如圖9，圖10所示，0°,30°,45°,60°四個(gè)風(fēng)向角分析情況中，最大位移和應(yīng)力是在0°角橫向風(fēng)的情況下產(chǎn)生的，此時(shí)最大位移為216.6 mm，最大應(yīng)力為236.9 MPa。風(fēng)荷載的方向?yàn)檎龣M向時(shí)，研究網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件單元受力情況，此工況下，上弦桿和下弦桿為較危險(xiǎn)的桿件單元，下弦桿的危險(xiǎn)系數(shù)仍為最高，如表4所示。

表4 荷載組合7作用下受力較大的10根桿件

5 結(jié)論

本文研究了該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在不同荷載組合情況下的變形能力和受力特性，所得結(jié)論如下：

1)恢復(fù)重建的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在最不利的荷載組合作用下，最大撓度值為216.6 mm，小于規(guī)范規(guī)定的撓度值。研究受力較大的桿件發(fā)現(xiàn)，上弦桿與下弦桿是整個(gè)結(jié)構(gòu)中最危險(xiǎn)的桿件單元，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需適當(dāng)提高這兩類桿件的強(qiáng)度。

2)兩邊落地前后敞開的三心圓柱面儲(chǔ)煤網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載最敏感，網(wǎng)架的變形情況與風(fēng)向和風(fēng)力有很大的關(guān)系。在與結(jié)構(gòu)成角度的斜風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的扭轉(zhuǎn)變形，內(nèi)力分布與跨向風(fēng)有顯著的差別，桿件內(nèi)力出現(xiàn)由拉變壓或由壓變拉。因此設(shè)計(jì)儲(chǔ)煤網(wǎng)架結(jié)構(gòu)時(shí)，斜風(fēng)工況必須考慮。

3)恢復(fù)重建的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和撓度均滿足我國規(guī)范要求，證明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，可為同類網(wǎng)架結(jié)構(gòu)恢復(fù)方案的重新設(shè)計(jì)、制作安裝提供參考依據(jù)。