大跨度預應力鋼結構儲煤棚存在的主要問題分析

李志峰

（寧夏煤炭基本建設有限公司，寧夏 銀川 750000）

1 結構設計環(huán)節(jié)的主要問題

與普通鋼結構形式不同，大跨度儲煤棚結構普遍采用鋼管立體桁架+預應力拉索的結構形式。桁架結構有三角形、四邊形或其兩者組合，上下節(jié)點采用相貫節(jié)點或球節(jié)點形式，這種結構具有跨度大、重量輕、屋面面積大、運行環(huán)境惡劣等特點。大跨度儲煤棚結構在設計上有一定的特殊性，需要注意以下幾個方面的問題。

1.1 桿件整體應力水平過高，桿端局部彎矩效應明顯

對于大跨度，特別是超大跨度的預應力桁架儲煤棚結構，建設單位為了節(jié)約成本，往往會對工程造價進行嚴格控制，而設計或施工單位為了提高中標率，也會對工程成本進行大幅度壓縮，導致設計單位直接降低結構設計時的整體平米用鋼量水平，盡量對結構的用鋼量進行優(yōu)化，從而使結構桿件的直徑或厚度在一定程度上縮減，造成結構成形后的整體桿件應力水平較高，應力儲備不足，甚至出現(xiàn)滿應力。這就造成了結構整體自穩(wěn)性和抵抗外界各種荷載的能力不足，很容易導致結構垮塌。在結構桿件應力設計方面，特別是一些網(wǎng)架、網(wǎng)殼結構煤棚的桿件設計時，如果對其他一些附加荷載，如節(jié)點重量、桿件自重等估計不足，為了保證施工順利進行而又臨時增加一些設備荷載等情況出現(xiàn)，則可能會造成桿件應力超出允許范圍，從而導致結構破壞失穩(wěn)，這是設計中存在的主要問題。因此，在設計此類空間桿系結構時，不能采用過于理想化的節(jié)點假設模型，因為這樣容易忽略節(jié)點剛性約束所引起的桿端彎矩，使本該為軸心受力的桿件在實際應用中還要承擔局部彎矩的影響，出現(xiàn)截面設計不足的問題。

1.2 未充分考慮支座不均勻沉降，結構支撐條件不清晰，支座約束條件判斷不準確

對于大跨度空間結構，特別是大跨度、超長的預應力儲煤棚結構來說，支座大部分是支撐在基礎短柱或擋煤墻上，支座間縱向軸間距較大，橫向跨度也較大，這樣的支座實際上是處于一個彈性狀態(tài)。在設計過程中，如果把此類支座的形式看作是固定鉸接于地面，不考慮支承條件的高度，則會無形中放大了約束的水平剛度，是不安全的。設計時應適當進行約束條件的各種假設，或者在數(shù)值計算模型中精確模擬判斷其實際約束剛度，才能保證上部支撐結構的穩(wěn)定性。大距離的軸間距和跨度相對應的基礎土質的性變也較為明顯，相應的跨間水平推力也會很大，這就容易造成豎直方向上結構支座基礎發(fā)生不均勻沉降，從而帶來上部結構各種響應的變化，跨距方向上會因較大的水平推力使擋煤墻發(fā)生一定的水平變形，水平推力也會造成支座水平移動，形成支座的水平變位。無論哪個方向上的變形，如果過大均易造成桿件超出其極限形變狀態(tài)。在設計過程中，如果沒有充分考慮基礎不均勻沉降和支座強迫變位帶來的影響，很可能導致桿件在正常使用期間超出其應力極限的情況。

1.3 忽略彎曲桿件效應，結構整體穩(wěn)定性驗算不足

大跨度結構體系，特別是預應力類超大跨度體系多為拱形或球面結構，弧形桿件的加工工藝一般采用冷彎或熱彎，除實際加工弧度與設計理論弧度存在偏差外，設計采用的分析軟件也多是用多段線擬合弧形桿件，從理論計算上與實際支座也存在偏差，在軸向力作用下易引起附加彎矩，如考慮不周，則設計桿件的應力會明顯小于計算應力，在過往的工程實例中這種偏差甚至達到10%，因此，應特別注意。另外，對于一些跨度大結構較薄的鋼結構體系，對結構的幾何非線性或者雙重非線性的穩(wěn)定分析也很重要。目前，有些軟件不能提供驗算功能，導致設計時無法進行相關計算，若結構缺乏穩(wěn)定性分析，則可能導致結構安全度不夠，有時在穩(wěn)定分析時，荷載情況考慮不充足等因素也可能導致結構失穩(wěn)。

1.4 施工方案考慮不周，沒有考慮工序的影響

大跨度預應力張弦結構的整體剛度由構成結構體系桿件的截面尺寸、節(jié)點形式、空間幾何形態(tài)等因素構成。結構整體剛度和幾何形態(tài)與施工過程和施工順序密切相關，結構在形成體系前尚未建立剛度或剛度較弱，不同的施工順序和不同的安裝合攏時間，其溫度也不同，也會造成結構體系的幾何缺陷，導致結構成形與理論偏差較大，從而影響結構承載力。因此，需要對結構的施工方案和工序進行合理選擇并進行嚴格控制，或者根據(jù)最終的成形狀態(tài)進行安全性核驗，否則有可能造成初始桿件內力的變化，導致后期荷載狀態(tài)下的超載和失穩(wěn)。

2 結構施工過程中的主要質量問題

2.1 節(jié)點的隱蔽焊縫遺漏和螺栓假擰

大跨度管桁架的節(jié)點一般采用相貫節(jié)點，在節(jié)點相貫處往往會出現(xiàn)多根桿件交匯的情況，通常主管直徑要比支管直徑大，這樣相貫節(jié)點處的各管件也會有足夠的焊接間隙。但也有特殊情況，個別支管管徑與主管管徑相近，這樣就會出現(xiàn)多根桿件相貫的情況，產(chǎn)生隱蔽焊縫。如果施工中隱蔽焊縫的焊接難度大，或設計圖紙沒有對隱蔽焊縫是否焊接提出具體明確的要求，就有可能導致隱蔽焊縫未施焊，從而使節(jié)點承載力下降。因此，設計時必須明確隱蔽焊縫施焊。在實際施工中，不易焊接的隱蔽焊縫可采取開手孔或截斷桿件的方法施焊，完成后再對手孔或管節(jié)進行封閉，以完成焊縫焊接，否則，節(jié)點焊接施工質量無法保證。對于螺栓球網(wǎng)殼結構儲煤棚來說，節(jié)點存在的主要問題是高強螺栓連接的問題，主要表現(xiàn)在螺栓擰入深度不夠、螺栓安裝不到位、螺栓強迫安裝等，該問題會導致結構安裝偏差、節(jié)點承載力不足。螺栓后期在應力作用下可能被拔出，破壞局部節(jié)點，從而導致全部結構倒塌，特別是在高空散拼狀態(tài)下，安裝人員高空作業(yè)，螺栓施工監(jiān)護不到位，容易出現(xiàn)此類問題。

2.2 預埋件安裝偏差或支撐架穩(wěn)定性不足

大跨度結構下部混凝土或擋墻施工往往由另一家施工單位負責。在土建預埋件施工前，結構施工單位與基礎施工單位未進行技術對接，可能造成結構支座預埋件預埋偏差，出現(xiàn)埋件水平或標高偏出設計位置，導致后續(xù)結構施工時支座定位不準確，形成支座強迫就位，而存在支座初始應力，在外聯(lián)荷載下有可能出現(xiàn)超應力。支撐架穩(wěn)定性方面，主要體現(xiàn)在儲煤棚拼裝階段，很多大跨度儲煤棚拼裝采用高空原位拼裝的方法，拼裝需要搭設臨時支撐架，拼裝跨度越大，支撐架高度越高，對于150m以上大跨度結構，支撐架高度可達40多米，在使用前，應對這些支撐架進行整體穩(wěn)定性以及在風荷載、安裝荷載作用下的局部穩(wěn)定性驗算，并分析桿件的彎曲和約束條件，否則可能因支撐架失穩(wěn)而導致結構垮塌。

2.3 拼裝、吊裝階段的驗算不充分以及附加吊掛荷載影響

大跨度預應力煤棚結構的安裝通常采用原位安裝、分段吊裝、高空拼接的方法，桁架結構需在地面進行分段拼裝，拼裝完成后進行吊裝組裝。因此，在分段桁架翻身、脫胎，吊裝時就會存在吊點選擇和承載力驗算的問題，吊裝時應充分考慮吊鉤起吊的放大效應以及各節(jié)點、各桿件的強度和穩(wěn)定情況在吊裝狀態(tài)下的變化。吊點選擇好后不能隨意改動，否則容易造成局部鋼件屈服、斷裂。

2.4 結構材料不合格和鋼材下差問題

近幾年，我國鋼材產(chǎn)量不斷攀升，產(chǎn)量已躍居世界前列，鋼材產(chǎn)量雖大，但質量參差不齊，特別是一些非正規(guī)廠家生產(chǎn)的鑄件或鋼材，往往存在碳含量超標、生產(chǎn)率低、沖擊韌性差等問題，甚至材料中可能夾雜雜質或氣泡等，這些材料若應用于結構，必然會對結構本體造成隱患。目前，結構桿件用的鋼管主要使用的是無縫鋼管和直縫鋼管，市面上無縫鋼管普遍是上差的，而對于直縫鋼管則往往存在著負偏差，雖然符合國家規(guī)定的材料偏差標準，但在設計時往往是按正常直徑計算的管徑取值，在采購材料時，若對材料的控制不嚴有可能造成桿件的壁厚與設計的要求差距變大，用于結構中會造成局部桿件應力超出設計強度。因此，大跨度的儲煤棚在設計時應特別注明不要采用具有下差的鋼管材料。

3 結構使用過程中的侵蝕破壞問題

結構使用過程中存在的主要問題是空氣對結構的自然腐蝕、儲煤棚內煤堆的侵蝕和煤粉自燃問題。目前，儲煤棚結構由于生產(chǎn)工藝的要求，設計堆煤通常采用堆取料機兩邊對稱落地的柱面體形，但在實際使用過程中，為了增加儲煤量，往往采用推煤機、挖掘機等設備將煤堆到柱邊甚至覆蓋部分結構構件，不但造成柱腳支座或基礎短柱擠壓，改變上下結構內力，而且長期遭受煤堆覆蓋的桿件或支座節(jié)點易被侵蝕破壞。煤棚內的煤粉長期與空氣接觸會慢慢自然氧化而積熱，熱量如果不能及時釋放，則會引起煤堆自燃，這種現(xiàn)象在儲煤過程中時常出現(xiàn)，一般煤棚均設有滅火降溫設施，煤粉自燃會分解產(chǎn)生含有氮、氫、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫以及一些復雜的有機化合物，這些成分雖然含量很小，但對鋼結構工程的腐蝕危害是不可忽視的。這些有害物質中二氧化硫影響最大，當空氣介質中存在硫化氫、硫醇等有機雜質時，這些氣體溶于空氣中的水分呈酸性體，酸性介質環(huán)境會加重金屬表面的腐蝕，加快結構接觸面的腐蝕速度。由于儲煤棚長期處于這種氣體侵蝕環(huán)境中工作，必須重視鋼結構表面的防腐處理，以免影響其使用壽命。

4 對極端自然條件考慮不足

極端自然條件是指常年不遇的極端降雪和極端風荷載條件。隨著全球氣候變化，極端天氣出現(xiàn)的頻率越來越高，特別是降雪地區(qū)的極端天氣甚至會超出50年的重現(xiàn)期，雖然在一些雪災較嚴重的地區(qū)出臺了一系列特殊雪荷載的計算要求，但對于特殊地區(qū)或對雪荷載比較敏感的輕型結構，還是建議按照百年降雪重現(xiàn)期考慮，尤其是預應力張拉的桁架煤棚、拱形煤棚，這些煤棚對于雪荷載非常敏感，如果考慮不足，將導致結構抵御極端雪荷載的能力不足。對于極端的風荷載，由于大跨度結構屋面自重較輕，在風荷載下，對局部屋面薄弱部位易造成破壞、脫落甚至撕裂，出現(xiàn)這些問題的主要原因是屋面圍護結構在風荷載計算時考慮不足，取值偏小導致的。因此，超大跨度結構的風荷載取值必須采用風洞試驗的方法來獲取不同風向下的風壓，方能保證圍護結構設計的可靠性和安全性。

5 結構運營期間健康監(jiān)測不足

大跨度儲煤棚是大型企業(yè)煤場環(huán)保封閉的重要設施，結構在設計環(huán)節(jié)、施工環(huán)節(jié)內力和位移的情況是否與結構驗收的要求相符，以及結構在后續(xù)的長期運行期間能否保證安全是非常重要的考量內容。由于大跨度煤棚結構在運行期間可能會因極端荷載、生產(chǎn)事故、地震外力等外部因素造成結構本體損傷，這些損傷通常包括結構材料特性的改變或結構幾何體系和邊界條件體系的改變，是影響結構運行穩(wěn)定和服務壽命的重要因素。因此，建議使用單位在大跨度煤棚運行期間進行全壽命的健康檢測。健康檢測主要是通過分析和采集結構使用過程中隨時間推移產(chǎn)生的變化數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)進行結構安全性分析，其內容主要進行結構變形監(jiān)測、桿件應力監(jiān)測、預應力索力監(jiān)測以及結構桿件和圍護結構的腐蝕監(jiān)測。對于監(jiān)測工作來說，監(jiān)測內容和觀測位置需由施工單位聯(lián)合設計單位確定，一般需要檢測桿件的應力、支座沉降和拉索索力的監(jiān)測，監(jiān)測點可考慮設置在結構上弦主管的跨中位置和兩側等分對稱點部位，下弦設置在拉索的兩邊點和跨中，應做到對每架桁架進行監(jiān)測。

6 結語

綜上所述，現(xiàn)階段應加強對大跨度儲煤棚特別是超大跨度預應力儲煤棚設計、施工、運行等各階段的跟蹤、監(jiān)測、監(jiān)督，對目前設計、施工、運維等過程中存在的問題進行深入分析和研究，借助先進的模擬計算模型和數(shù)據(jù)分析軟件，采用安全可靠的安裝施工方法，建立長效的檢測檢查機制，積極探尋可行性對策，從多方面采取措施確保大跨度結構的施工安全與運行穩(wěn)定。