大跨度煤場預(yù)應(yīng)力拱形管桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

李少榮,楊小軍

(中煤西安工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,西安 710054)

露天儲煤場一般占地面積較大,尤其是跨度超過130 m的儲煤場,在考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下,若采用常規(guī)的網(wǎng)架或者網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)需采用多跨,煤場中間需設(shè)置結(jié)構(gòu)柱,影響煤炭堆放和機(jī)械作業(yè)。預(yù)應(yīng)力拱形管桁架作為一種成熟的大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系,若應(yīng)用于煤場封閉中,煤棚內(nèi)部無混凝土柱,內(nèi)部空間大,空間利用率高,推煤機(jī)在內(nèi)部運(yùn)行不受影響,可提高儲煤容量。預(yù)應(yīng)力的引入最大限度優(yōu)化結(jié)構(gòu)內(nèi)力,減小支座水平推力,保證超大跨結(jié)構(gòu)安全。

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外大型民用公共建筑領(lǐng)域。如近些年的世界杯、奧運(yùn)會等大型體育場館工程,應(yīng)用比例已達(dá)60%以上。在工業(yè)建筑領(lǐng)域,個(gè)別大型電廠的煤場封閉也開始使用預(yù)應(yīng)力拱形管桁架結(jié)構(gòu),國內(nèi)最大跨度達(dá)到229 m左右[1]。

1 工程概況

榆樹灣煤礦現(xiàn)有地銷煤場寬約200 m,長度方向最長處約255 m,最短處約為165 m,主要用來儲存地銷末煤,存煤量約20萬t,地銷末煤可利用既有901帶式輸送機(jī)卸料小車卸落至儲煤場存儲,既有棧橋頂高度26.09 m,留2 m的安全距離,張弦索底標(biāo)高28.09 m,儲煤場剖面見圖1。

圖1 儲煤場剖面圖Fig.1 Cross-sectional diagram of coal storage yard

2 結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)布置

本煤場軸線跨度170 m,縱向長度162 m,投影尺寸180 m×168 m,屬超大跨度煤棚結(jié)構(gòu),采用預(yù)應(yīng)力鋼桁架結(jié)構(gòu)方案。主桁架采用單向張拉拱桁架結(jié)構(gòu),山墻格構(gòu)柱通過山墻桁架傳力給次桁架,格構(gòu)柱間用聯(lián)系桁架連接于山墻桁架,形成雙向空間受力結(jié)構(gòu)體系。次桁架間布置箱型截面主梁作為主檁,屋面系統(tǒng)通過主次檁體系傳力,主檁間距5.75 m。煤棚長168 m,桁架間距27 m×6 m,5榀主桁架,2榀山墻桁架,9道次桁架,4道交叉圓鋼支撐?？紤]封閉既有棧橋及安全距離后,室內(nèi)地坪距離預(yù)應(yīng)力拉索最低點(diǎn)為28.09 m,撐桿高度取桁架跨度的1/10[2-3],桁架頂面代表高度45 m。主桁架跨中高度4.5 m,拐點(diǎn)處桁架高度6 m,桁架上弦寬度4 m[4-5]。結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖2,結(jié)構(gòu)三維軸測圖見圖3。

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.2 Layout plan of structure

主、次桁架為倒三角形截面,主桁架跨中附近上弦及下弦桿為Φ377 mm×16 mm和Φ325 mm×12 mm,側(cè)面腹桿為Φ194 mm×8 mm,支座附近上弦及下弦桿為Φ450 mm×16 mm和Φ600 mm×35 mm,側(cè)面腹桿為Φ325 mm×12 mm,次桁架上弦及下弦桿為Φ245 mm×10 mm和Φ194 mm×8 mm,側(cè)面腹桿為Φ159 mm×6 mm,主桁架張線索為Φ63高釩拉索,撐桿為Φ299 mm×12 mm鋼管,主桁架間十字撐桿為Φ40 mm鋼拉桿。鋼管材料為Q345B,高釩索抗拉強(qiáng)度1 670 MPa,鋼拉桿為Q460B。

圖3 結(jié)構(gòu)三維軸測圖Fig.3 3D axonometric drawing of structure

2.2 荷載取值

1)恒載及活載

屋面鋼結(jié)構(gòu)圍護(hù)及彩鋼板荷載0.3 kN/m2,屋面活荷載0.3 kN/m2,馬道活荷載1 kN/m2。

2)風(fēng)荷載

50 a一遇基本風(fēng)壓為0.4 kN/m2。儲煤場結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜,應(yīng)通過模擬風(fēng)洞試驗(yàn)來確定風(fēng)荷載體型系數(shù)。通過模擬風(fēng)洞試驗(yàn),確定了風(fēng)荷載體型系數(shù),屋蓋表面及山墻面共分34個(gè)分區(qū)。結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)論,綜合考慮不同風(fēng)向角的風(fēng)壓分布情況,分別按照0°向風(fēng)、135°向風(fēng)和195°向風(fēng)計(jì)算分析,可得風(fēng)荷載體型系數(shù)大于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2012)[6],風(fēng)振響應(yīng)分析后風(fēng)振系數(shù)取1.8,大于一般的結(jié)構(gòu)。

3)雪荷載

50 a一遇基本雪壓為0.25 kN/m2,本工程為雪荷載的敏感結(jié)構(gòu),采用100 a重現(xiàn)期雪壓為0.30 kN/m2。積雪分布情況分別按全跨積雪的均勻分布、不均勻分布和半跨積雪的均勻分布按最不利情況采用。

4)溫度荷載

據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料,考慮升溫30 ℃,降溫-30 ℃,鋼結(jié)構(gòu)合攏溫度為5 ℃～20 ℃。

5)地震作用

設(shè)防烈度6°(0.05g),設(shè)計(jì)分組第一組。

2.3 邊界條件

桁架弦桿固接,腹桿單元釋放,弦桿計(jì)算長度系數(shù)取1.0,腹桿取0.8,主桁架落地點(diǎn)采用萬向球鉸支座。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

3.1 預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)作用分析

拱形結(jié)構(gòu)在荷載作用下基礎(chǔ)產(chǎn)生很大的水平推力,施加預(yù)應(yīng)力可有效抵抗拱型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平推力,減小柱腳的基礎(chǔ)水平反力。為了研究預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的影響，將預(yù)應(yīng)力張弦桁架方案和不采用預(yù)應(yīng)力的普通鋼結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對比分析。取受力最大處(中間榀)桁架在恒載+活載+預(yù)應(yīng)力組合下的內(nèi)力、反力、變形進(jìn)行對比,如表1所示。

表1 有無預(yù)應(yīng)力單排桁架內(nèi)力、反力、變形進(jìn)行對比Table 1 Comparison of internal force, counter force and deformation with or without prestressed single row truss

3.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

采用 Midas 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征值分析,采用Ritz向量分析法,使用三向地面加速度作為初始工況,取前180階振型計(jì)算,最終結(jié)果在X向質(zhì)量參與系數(shù)SumUX=97.58%,Y向質(zhì)量參與系數(shù)SumUY=97.28%,Z向質(zhì)量參與系數(shù)SumUX=90.07%。滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)(2016年版)[7]累積參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量90%的要求。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不明顯,屬平面規(guī)則結(jié)構(gòu),結(jié)合整形圖可看出所捕捉的前10階振型X向和Y向質(zhì)量參與系數(shù)小于60%,Z向3.3%,前10階振型存局部振動(dòng),且主要集中在大跨梁,不屬于結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件,不影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和強(qiáng)度。

3.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

設(shè)計(jì)采用 MIDAS和3D3S兩個(gè)程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系計(jì)算分析,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度、構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算設(shè)計(jì)。關(guān)鍵構(gòu)件為主桁架弦桿及支座附近網(wǎng)格,強(qiáng)度、穩(wěn)定應(yīng)力比控制為0.85,其他桿件為一般桿件,強(qiáng)度、穩(wěn)定應(yīng)力比控制為0.90。應(yīng)力比結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 關(guān)鍵桿件應(yīng)力比折線圖(最大0.850)Fig.4 Line chart of stress ratio of key members (the maximum value=0.850)

圖5 一般桿件應(yīng)力比折線圖(最大為0.90)Fig.5 Line chart of stress ratio of general members (the maximum value=0.90)

3.4 結(jié)構(gòu)位移計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)位移最大處為中間榀主桁架跨中拉索處,結(jié)構(gòu)最大豎向位移為309 mm,變形為結(jié)構(gòu)跨度1/550,小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)[8]要求的1/400。X向風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)X向水平位移為164 mm,Y向水平位移為104 mm,最大變形為結(jié)構(gòu)跨度的1/298,小于《拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T249-2011)[8]要求的1/200。位移指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

3.5 斷索分析

設(shè)置中間一榀桁架工作中預(yù)應(yīng)力索斷裂,斷索位置為下弦拉索的端頭,設(shè)置斷索的荷載工況為1.0倍恒載+1.0倍活載,斷索后結(jié)構(gòu)最大位移為380 mm,變形為結(jié)構(gòu)跨度的1/447,小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)[9]要求的1/400,斷索后結(jié)構(gòu)在荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下應(yīng)力比不大于0.85,故不會發(fā)生倒塌。

3.6 結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定性分析

鋼結(jié)構(gòu)部分在恒荷載+活荷載最大作用下進(jìn)行特征值屈曲分析,預(yù)先評估結(jié)構(gòu)可能存在的薄弱環(huán)節(jié)和屈曲構(gòu)件,預(yù)測屈曲荷載上限。利用弧長法進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)全過程分析,依據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7-2010)[10]考慮最大節(jié)點(diǎn)初始幾何缺陷為結(jié)構(gòu)跨度的1/300,取重力作用下的位移和一階屈曲模態(tài)作為初始幾何缺陷分布。不同初始缺陷下結(jié)構(gòu)極限荷載因子如表2所示,滿足規(guī)范要求。

表2 不同初始缺陷下結(jié)構(gòu)極限荷載因子Table 2 Ultimate load factor of structure under different initial defects

3.7 節(jié)點(diǎn)分析

分別選取管桁架的支座節(jié)點(diǎn)、支座附近下弦轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)、拉索與張弦桁架連接節(jié)點(diǎn)、下弦撐桿節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),考慮結(jié)構(gòu)材料的彈塑性,選取軸力最大工況下各桿件軸力為桿件荷載,采用Abaqus有限元計(jì)算,在2倍設(shè)計(jì)荷載下,最大等效應(yīng)力值小于345 MPa,節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度滿足要求。

3.8 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

由于場地地下水位較淺(埋深1 m左右),且上部土層承載力較低,基礎(chǔ)采用樁基承臺。采用鉆孔灌注樁,樁徑0.8 m,主桁架基礎(chǔ)樁長11 m,單樁水平承載力特征值230 kN,單樁豎向承載力特征值950 kN,由于基地水平推力較大,樁數(shù)量由水平力控制。主桁架采用14樁承臺,承臺大小為8.8 m×8 m×1 m(h)。

4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

結(jié)構(gòu)總用鋼量為1 824 t(不含次檁及屋面板等維護(hù)結(jié)構(gòu)),投影面積為28 560 m2,單位面積用鋼量為63.8 kg/m2。130 m跨度的網(wǎng)殼單位面積用鋼量約為65 kg/m2,超過130 m跨度后網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)單位面積用鋼量會更高。本工程跨度為170 m,因此170 m 跨的預(yù)應(yīng)力管桁架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

1)跨度超過130 m的煤棚結(jié)構(gòu),從經(jīng)濟(jì)性及適用性考慮,宜采用預(yù)應(yīng)力拱形管桁架結(jié)構(gòu)。

2)根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果,風(fēng)荷載體型系數(shù)大于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的取值,風(fēng)振系數(shù)也大于一般結(jié)構(gòu),因此對此類跨度較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)以確定風(fēng)荷載效應(yīng)。

3)給管桁架結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力可有效減小軸力最大處弦桿軸力,減小跨中撓度,進(jìn)而減小柱腳基礎(chǔ)水平反力,節(jié)約下部結(jié)構(gòu)造價(jià)。

4)對此類大跨度煤棚,應(yīng)選擇足夠的計(jì)算振型數(shù)(本工程180個(gè))以滿足質(zhì)量參與系數(shù)要求,雖然較多的高階振型為局部振動(dòng),但主要集中在大跨梁,不屬于結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件,不影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和強(qiáng)度。

5)本工程跨度達(dá)到170 m,結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力拉索為關(guān)鍵部位構(gòu)件,張弦索破斷失效后,有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌,應(yīng)進(jìn)行斷索分析,防止出現(xiàn)連續(xù)倒塌。