某233 m跨長拱形干煤棚結(jié)構(gòu)設(shè)計

張勇豪,蔣永揚,金 枝,趙雪霞

(浙江中南建設(shè)集團鋼結(jié)構(gòu)有限公司,浙江 杭州 310052)

隨著社會對能源、基礎(chǔ)設(shè)施需求的日益增加,電力、煤炭、水泥等行業(yè)中用于儲煤、儲料的大型干煤棚結(jié)構(gòu)設(shè)施得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用。而干煤棚的發(fā)展可以追溯到20世紀初,當(dāng)時的露天煤場容易受到環(huán)境影響,煤塵會隨著風(fēng)四處擴散,對周圍的環(huán)境造成污染。為解決這個問題,人們采用封閉儲煤倉代替了露天儲煤場,對燃煤進行加蓋,防止雨淋和揚塵,使燃煤堆放符合環(huán)保及建設(shè)用地要求。

本文以某干煤棚項目為背景,介紹了一種超大跨度干煤棚結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,并與傳統(tǒng)的干煤棚結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行比較,通過數(shù)值模擬數(shù)據(jù)來驗證新設(shè)計方案的合理性。

1 工程概況

該煤場建筑縱向長度272 m,橫向跨度233 m,擬建干煤棚占地面積約64 308 m2。建筑內(nèi)部有兩臺斗輪機同時進行工作,每臺斗輪機的橫向作業(yè)寬度約94.60 m,作業(yè)高度約30.51 m,建筑內(nèi)部工藝界面圖見圖1。該工程結(jié)構(gòu)的安全等級為二級,結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為50年。結(jié)構(gòu)火災(zāi)危險性為丙類,耐火等級為二級,耐火極限為1.0 h。

圖1 建筑內(nèi)部工藝界面圖(mm)

2 結(jié)構(gòu)選型

干煤棚結(jié)構(gòu)的設(shè)計首先要滿足相關(guān)設(shè)備對操作空間的要求,以便根據(jù)實際情況確定合理的結(jié)構(gòu)方案。其中,斗輪機的工藝界面是需要考慮的重點,斗輪機工作時,需滿足上部結(jié)構(gòu)可以繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn),以實現(xiàn)設(shè)備在一定角度范圍內(nèi)堆、取料作業(yè)；同時內(nèi)部車可以沿軌道行走,從而實現(xiàn)設(shè)備在整個料場范圍內(nèi)作業(yè)[1]。通常采用正放四角錐雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式[2],該結(jié)構(gòu)形式優(yōu)美、用鋼量低、剛度較好、傳力形式簡潔。根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 7—2010)》[3]的規(guī)定,該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的厚度宜取寬度的1/20～1/50。

2.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

1)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式一

將煤棚設(shè)計成兩跨相同的三心圓雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),見圖2。經(jīng)初步選型可得相關(guān)幾何參數(shù)如下：跨度113 m,厚度3.8 m,拱高40.52 m,三心圓半徑中大圓半徑為134.45 m，小圓半徑為26.228 m。

圖2 傳統(tǒng)形式一網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)剖面圖(mm)

2)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式二

將煤棚設(shè)計成單跨三心圓雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),見圖3。經(jīng)初步選型可得相關(guān)幾何參數(shù)如下：跨度233 m,厚度3.75 m,拱高36.57 m,三心圓半徑中大圓半徑為273.57 m，小圓半徑為28.429 m。

圖3 傳統(tǒng)形式二網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)剖面圖(mm)

2.2 新型結(jié)構(gòu)形式

在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式二的基礎(chǔ)上,在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)跨中設(shè)置1道Y型支撐。該Y型支撐結(jié)構(gòu)由上部V型鋼架和下部混凝土柱構(gòu)成,V型鋼架立于混凝土柱上,整體結(jié)構(gòu)的剖面和軸側(cè)圖見圖4。

圖4 中間設(shè)Y型支撐網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)剖面圖(mm)

2.3 結(jié)構(gòu)形式對比分析

1)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式一與新型結(jié)構(gòu)形式對比

為滿足斗輪機空間使用要求,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式一落地拱腳的角度比單鉸拱網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)所需的落腳角度更大,且結(jié)構(gòu)拱高也有所增加,同時還需考慮兩網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中部積灰、積雪等荷載的影響,使得該結(jié)構(gòu)形式所需用鋼量增加,且結(jié)構(gòu)中部的天溝處理相對也較繁瑣,與新型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式相比經(jīng)濟性較差。

2)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式二與新型結(jié)構(gòu)形式對比

當(dāng)采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式二設(shè)計時,正放四角錐雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)雖能滿足結(jié)構(gòu)大跨度的要求,但因結(jié)構(gòu)跨度過大會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)撓度及桿件應(yīng)力均難以滿足設(shè)計要求,結(jié)構(gòu)設(shè)計存在死循環(huán)(即增大桿件截面,會導(dǎo)致重量增加,從而增大撓度),結(jié)構(gòu)設(shè)計難以實現(xiàn)。

而新型結(jié)構(gòu)形式能夠有效地減少網(wǎng)殼中間的最大豎向位移,在保證結(jié)構(gòu)大跨度要求的同時,相比于普通的結(jié)構(gòu)設(shè)計,大大地提高了結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間利用率,并節(jié)省了用鋼量及施工成本。

3 結(jié)構(gòu)計算與分析

為更好地研究傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式二與新型結(jié)構(gòu)形式的差異性,特選擇相同的幾何參數(shù)和桿件建立有限元計算模型進行對比分析如下。

3.1 結(jié)構(gòu)建模

在結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件中建立結(jié)構(gòu)模型,進行計算分析,選擇桿件的規(guī)格共15種,為：Ф75.5×3.75，Ф102×4，Ф114×4，Ф127×4，Ф140×4，Ф152×4，Ф159×6，Ф159×8，Ф180×8，Ф180×10，Ф219×10，Ф219×12，Ф219×14，Ф245×12，Ф245×14。計算模型見圖5、圖6。

圖5 傳統(tǒng)形式二網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)計算模型(不含山墻面)

圖6 新型結(jié)構(gòu)形式網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)計算模型(不含山墻面)

3.2 荷載工況及組合

結(jié)合工程情況,并參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 50009—2012)》[4]和《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50011—2010)》[5]中的相關(guān)規(guī)定,需考慮的荷載工況如下：①恒荷載 0.30 kN/m2(屋面板+檁條自重,承重結(jié)構(gòu)重量程序自動計算)；②活荷載 0.30 kN/m2(用于主承受結(jié)構(gòu)設(shè)計)；0.50 kN/m2(用于檁條設(shè)計)；③雪荷載 基本雪壓 0.45 kN/m2(50年一遇)；④風(fēng)荷載 基本風(fēng)壓0.40 kN/m2(50年一遇)；地面粗糙度B類；⑤地震荷載 抗震設(shè)防烈度為7度；⑥溫度作用 累年年平均氣溫為13.1℃,累年極端溫度為-25.1℃～42.8℃。

共考慮156種荷載組合,為方便研究,現(xiàn)選取5種典型荷載組合進行數(shù)據(jù)分析,所選荷載組合見表1。

表1 典型荷載組合情況

3.3 計算結(jié)果分析

兩種結(jié)構(gòu)形式下的結(jié)構(gòu)豎向最大位移值及典型桿件應(yīng)力比對比數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 兩種結(jié)構(gòu)形式的最大位移值 mm

表3 典型桿件在兩種結(jié)構(gòu)形式中的應(yīng)力比

由表2、表3可得：①采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式二設(shè)計時,在組合4作用下,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)位移最大為3 422.08 mm>l/250=932 mm(容許撓度值),在組合2作用下,結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比最大為7.69>0.85,無法滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 7—2010)》中的相關(guān)設(shè)計要求。②采用新型結(jié)構(gòu)形式設(shè)計時,在組合4作用下,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)位移最大為323.25 mm

經(jīng)對比分析可得：在設(shè)計條件(構(gòu)件尺寸、截面型號、材質(zhì)、荷載條件等)完全相同的前提下,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式與新型結(jié)構(gòu)形式相比,典型構(gòu)件的最大應(yīng)力比由7.69下降到0.78,結(jié)構(gòu)豎向位移最大值由3 422.08 mm下降到299.25 mm,應(yīng)力比減小近10倍,最大豎向位移值減小約12倍,充分體現(xiàn)出新型結(jié)構(gòu)形式在承載能力和剛度上的優(yōu)勢。

圖7 傳統(tǒng)方案設(shè)計結(jié)構(gòu)

圖8 新型方案設(shè)計結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 語

本文闡述的新型結(jié)構(gòu)形式成功地解決了某233 m跨長的干煤棚結(jié)構(gòu)因跨度過大引起撓度過大，在使用空間的剛需下難以設(shè)計的問題。通過在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式跨中加設(shè)Y型支撐的方式,將單跨233 m轉(zhuǎn)變?yōu)?跨116.5 m,同時,考慮到下部使用空間,在一定高度范圍內(nèi)設(shè)置混凝土柱,在混凝土柱上部設(shè)置V型鋼架支撐,增加上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的連接點,既不影響結(jié)構(gòu)空間的使用,也能為上部結(jié)構(gòu)提供多個支撐點,不僅可以減小網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的撓度,還能克服局部桿件內(nèi)力集中的問題,也能降低用鋼量,可保證結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力及結(jié)構(gòu)撓度均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 50017—2003)》要求。該設(shè)計方案可以為同類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。