108米跨度干煤棚三心圓柱面網(wǎng)殼研究與設(shè)計(jì)

108米跨度干煤棚三心圓柱面網(wǎng)殼研究與設(shè)計(jì)羅堯治 胡寧 沈雁彬（浙江大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心）摘 要：鴨河口電廠干煤棚跨度為108米，是目前亞洲跨度最大的柱面結(jié)構(gòu)。本文從結(jié)構(gòu)選型、受力分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)造措施等方面進(jìn)行詳細(xì)的研究并給出比較確切的風(fēng)載體型系數(shù)。根據(jù)干煤棚結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，結(jié)合作者以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)課題的研究成果，闡述了煤棚設(shè)計(jì)和實(shí)際使用中注意的問(wèn)題，并提出一些重要的建議。本文對(duì)大跨度煤棚結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和推廣具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：干煤棚；三心圓柱面網(wǎng)殼；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；體型系數(shù)一、概述干煤棚是火電廠中存儲(chǔ)煤的一種大型庫(kù)房。干煤棚結(jié)構(gòu)要求跨度大、凈空高，滿足存儲(chǔ)和作業(yè)空間。干煤棚結(jié)構(gòu)發(fā)展至今已有二十年的歷史，使用過(guò)的結(jié)構(gòu)形式主要有平面剛架、平面桁架、平面拱以及柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。根據(jù)已經(jīng)建成的干煤棚結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的比較1，柱面網(wǎng)殼具有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前已成為干煤棚結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)形式。河南省鴨河口電廠干煤棚設(shè)計(jì)跨度108米，長(zhǎng)度90米，采用正放四角錐三心圓柱面雙層網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)形式，是目前亞洲跨度最大的三心圓柱面煤棚結(jié)構(gòu)。雖然鴨河口電廠干煤棚的跨度很大，但是由于經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采取合理的構(gòu)造措施，使該煤棚結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較理想?，F(xiàn)將煤棚中使用柱面網(wǎng)殼形式的部分工程進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的比較（表1）。表1 部分柱面網(wǎng)殼干煤棚結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 指標(biāo)工程名稱平面尺寸跨度長(zhǎng)度(mm)網(wǎng)格形式節(jié)點(diǎn)形式支承位置最大桿件(mm)最大球徑(mm)用鋼量(kg/m2)（投影面積）建成日期嘉興電廠103.588斜置四角錐螺栓球和焊接球雙排支承2731665062.21994臺(tái)州電廠二期80.14482.5正放四角錐螺栓球和焊接球雙排支承21914550471996石門電廠二期75113.4抽空正放四角錐螺栓球下弦支承21920 300511995湘潭電廠B廠7552正放四角錐焊接球下弦支承16812 400341999益陽(yáng)電廠75108正放四角錐螺栓球下弦支承18012 240442000本工程10890正放四角錐螺栓球上弦支承15910 260442001二、結(jié)構(gòu)形式和幾何尺寸確定21 結(jié)構(gòu)形式確定柱面網(wǎng)殼中使用的網(wǎng)格形式通常有正放四角錐形式，正放斜置四角錐形式，抽空四角錐形式及桁架式等。桁架式網(wǎng)殼的空間受力性能不佳，側(cè)向穩(wěn)定性差。正放斜置四角錐形式傳力不直接，在兩邊開(kāi)口處桿件內(nèi)力集中。正放四角錐形式通過(guò)跨向的弦桿將力直接傳遞到附近的支座，傳力路徑直接明確。因此，本工程采用正放四角錐形式。22 幾何參數(shù)確定 鴨河口電廠干煤棚采用三心圓柱面網(wǎng)殼形式。三心圓柱面網(wǎng)殼有受力合理、結(jié)構(gòu)剛度大、施工方便的優(yōu)點(diǎn)，并且可以充分利用室內(nèi)空間，降低結(jié)構(gòu)標(biāo)高。(a)總平面圖 (b)正立面圖?側(cè)立面圖圖1 干煤棚結(jié)構(gòu)幾何尺寸 三心圓柱面網(wǎng)殼的受力性能與體形有密切的關(guān)系。決定三心圓柱面體形的幾何參數(shù)主要有2：跨向網(wǎng)格尺寸、跨向網(wǎng)格數(shù)、落地角（柱面圓弧在支座處的切線與豎直面的夾角）和網(wǎng)殼厚度等。這些幾何參數(shù)的變化導(dǎo)致網(wǎng)殼技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有規(guī)律的變化。當(dāng)一個(gè)幾何參數(shù)增大而其它參數(shù)不變時(shí)，各項(xiàng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的變化趨勢(shì)如表2所示。表2 幾何參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響 矢高內(nèi)力峰值撓度水平推力用鋼量跨向網(wǎng)格尺寸a增大增大減小減小減小增大跨向網(wǎng)格數(shù)N增大增大減小減小減小增大落地角b增大增大減小減小增大減小網(wǎng)殼厚度h增大 減小減小增大增大 在煤棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，斗輪機(jī)的工作范圍是決定體形的重要因素，研究表明2，結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)越靠近斗輪機(jī)工藝界線，結(jié)構(gòu)的展開(kāi)面積越小，其用鋼量越省。 依照參考文獻(xiàn)2的方法，對(duì)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后確定跨向網(wǎng)格尺寸為3.95米；跨向網(wǎng)格數(shù)為37格，其中大圓的半徑R=70.1389米，圓弧夾角61.32，網(wǎng)格數(shù)為19格，小圓半徑r=37.4996米，圓弧夾角54.34，網(wǎng)格數(shù)為9格；落地角為5；網(wǎng)殼厚度為3.5米。23 支座位置的選擇落地柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)通常有三種支承方式：上弦節(jié)點(diǎn)支承、下弦節(jié)點(diǎn)支承和上下弦節(jié)點(diǎn)共同支承。表3所示為三種支承方式各項(xiàng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的比較。上弦支承與下弦支承相比，內(nèi)力峰值減少33%，桿件內(nèi)力變化均勻，桿件重量減少6噸。采用雙排支承也能獲得比較好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能。但是雙排支承的柱面網(wǎng)殼受力性能類似無(wú)鉸拱，由于在支座處限制角位移，產(chǎn)生較大的彎矩作用，并且對(duì)于支座的側(cè)向移動(dòng)十分敏感，支座附近的桿件和螺栓容易產(chǎn)生附加應(yīng)力。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)支座產(chǎn)生50mm的跨向水平強(qiáng)迫位移時(shí)，支座附近桿件內(nèi)力增大十分明顯，并且出現(xiàn)拉壓桿變號(hào)。另外，雙排支承增大了承臺(tái)面積，增加基礎(chǔ)的工程造價(jià)。因此，本工程中采用上弦節(jié)點(diǎn)支承。表3 上弦支承和下弦支承結(jié)構(gòu)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的比較 桿件最大壓力 (kN)桿件最大拉力 (kN)支座豎向力(kN)支座水平力(kN)桿件用鋼量（t）上弦支承-710608810516357下弦支承-1065601807449363雙排支承-1003856957.7681.632524 柱面網(wǎng)殼構(gòu)造處理在設(shè)計(jì)中支座沿縱向間隔布置，并將上弦縱向邊界的非支座節(jié)點(diǎn)及相連桿件去除，同時(shí)添加二根斜向上弦桿，如圖2所示。圖2 抽空非支座上弦節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造處理示意圖如此構(gòu)造處理產(chǎn)生比較好的效果，主要有以下三點(diǎn)：（1）被抽空的上弦節(jié)點(diǎn)處受力很小，相連桿件內(nèi)力主要來(lái)自溫度應(yīng)力，數(shù)值很小，對(duì)網(wǎng)殼受力性能的影響可以忽略不計(jì)。如果煤棚在使用過(guò)程中不正確的堆煤造成對(duì)這些節(jié)點(diǎn)和桿件的擠壓，會(huì)產(chǎn)生不必要的附加內(nèi)力，對(duì)網(wǎng)殼受力性能產(chǎn)生負(fù)面影響，所以這些節(jié)點(diǎn)和桿件應(yīng)去掉為好。 （a）抽空非支座上弦節(jié)點(diǎn) (b)不抽空非支座上弦節(jié)點(diǎn)圖3 桿件內(nèi)力圖（2）抽空節(jié)點(diǎn)上方添加兩根上弦桿后，支座附近桿件內(nèi)力更加均勻。將抽空節(jié)點(diǎn)和不抽空節(jié)點(diǎn)兩種方案的比較，如圖3所示。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，抽空節(jié)點(diǎn)后添加的兩根上弦桿分擔(dān)了一部分力，降低了桿件內(nèi)力的峰值。不抽空時(shí)的桿件內(nèi)力最大值為687kN，抽空時(shí)的最大值為382kN，峰值下降44%。（3）抽空節(jié)點(diǎn)和桿件后既豐富了立面的效果，又可以作為運(yùn)輸煤的通道，而且可以降低網(wǎng)殼內(nèi)表面的風(fēng)壓值。三、荷載分析和結(jié)構(gòu)受力特性31 風(fēng)荷載體型系數(shù)的分布該煤棚結(jié)構(gòu)體型巨大，風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)的主要荷載。目前開(kāi)口的三心圓柱殼的風(fēng)載體型系數(shù)無(wú)現(xiàn)成規(guī)范可依，所以進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)以確定體型系數(shù)。以往的柱殼設(shè)計(jì)中，常常采用90和30的水平風(fēng)荷載下的體型系數(shù)作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。但通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，表明在不同的水平風(fēng)向角作用下結(jié)構(gòu)的受力情況有較大的差異，結(jié)構(gòu)反彎點(diǎn)的位置有較大的不同。而且，在有向下傾角風(fēng)荷載作用下，與水平風(fēng)荷載相比，結(jié)構(gòu)受力往往更加不利。與以上兩個(gè)參數(shù)相比，有無(wú)堆煤對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不大。為了更加真實(shí)反映結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的實(shí)際受力情況，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析、歸納后，在設(shè)計(jì)中可采用四種不同的風(fēng)荷載體型系數(shù)。體型系數(shù)的區(qū)域劃分見(jiàn)圖4，對(duì)應(yīng)的體型系數(shù)見(jiàn)表4。 圖4 體形系數(shù)區(qū)域劃分表4 風(fēng)荷載體型系數(shù)風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)夾角abcabcabcabcabc901.10.5-0.6-0.3-0.275、601.21.20.90.50.1-0.1-0.5-0.7-0.5-1.2-1.1-0.6-1.5-1.0-0.545、301.00.80.50.70.40.2-0.2-0.4-0.4-1.4-0.9-0.5-1.4-0.8-0.4150.90.50.30.80.40.20.60.20.1-0.5-0.10.1-0.7-0.2-0.132 結(jié)構(gòu)受力特性 由于結(jié)構(gòu)兩邊支承兩邊開(kāi)口，所以呈現(xiàn)單向受力狀態(tài)。網(wǎng)殼跨向桿件內(nèi)力較大，而縱向桿件內(nèi)力較小。圖5、6分別是結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下和90夾角風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力變形圖。 (a)上弦內(nèi)力圖 (b)下弦內(nèi)力圖 ?結(jié)構(gòu)變形圖圖5 豎向荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形圖 (a)上弦內(nèi)力圖 (b)下弦內(nèi)力圖 ?結(jié)構(gòu)變形圖圖6 風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形圖圖7所示為結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)向角的風(fēng)荷載作用下上弦平面桿件內(nèi)力分布展開(kāi)圖，圖8所示為上弦平面節(jié)點(diǎn)位移展開(kāi)圖。通過(guò)內(nèi)力和位移的比較可以看出，在不同風(fēng)向角的風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和位移有很大的差異，桿件在某些工況下受拉，在另外的工況下受壓，每種工況都控制一批桿件的最大內(nèi)力。所以，只考慮一種風(fēng)荷載方向進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法不夠全面。 (a)90 (b)75和60 ?45和30 (d)15圖7 不同風(fēng)向角的風(fēng)荷載作用下上弦平面桿件內(nèi)力分布展開(kāi)圖 (a)90 (b)75和60 ?45和30 (d)15圖8 不同風(fēng)向角的風(fēng)荷載作用下上弦平面節(jié)點(diǎn)位移展開(kāi)圖四、干煤棚網(wǎng)殼設(shè)計(jì)、施工和使用中存在的問(wèn)題及改進(jìn)技術(shù)措施41 干煤棚網(wǎng)殼設(shè)計(jì)、施工和使用中存在的問(wèn)題（1）煤棚結(jié)構(gòu)存在大面積堆載的問(wèn)題。由于大面積的堆載，容易造成網(wǎng)殼支座的沉降和向外滑移，由此產(chǎn)生附加內(nèi)力，對(duì)支座附近的節(jié)點(diǎn)和桿件有一定的影響。（2）煤棚結(jié)構(gòu)存在比較嚴(yán)重的銹蝕問(wèn)題。煤中含有大量的腐蝕性物質(zhì)，鋼材與這些腐蝕介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生銹蝕（圖9）。（3）以往建成使用的煤棚結(jié)構(gòu)內(nèi)時(shí)有發(fā)生煤堆壓住網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)和桿件的現(xiàn)象，造成桿件的附加內(nèi)力，而且會(huì)加重構(gòu)件的銹蝕程度（圖10）。（4）高強(qiáng)螺栓是按照軸心受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)的，但是在支座附近會(huì)產(chǎn)生較大的附加彎矩和附加內(nèi)力，螺栓在受拉的同時(shí)，還可能承受比較可觀的彎矩和剪力。在以往的工程事故中，螺栓的破壞形式主要是剪斷（圖11）。 圖9 節(jié)點(diǎn)和桿件銹蝕破壞 圖10干煤棚不正常堆煤現(xiàn)象螺栓的破壞形式主要是剪斷（圖11）4 2 影響結(jié)構(gòu)安全性的最不利區(qū)域經(jīng)過(guò)計(jì)算表明，支座附近的桿件和節(jié)點(diǎn)是十分重要的，荷載都通過(guò)這些構(gòu)件傳遞到支座上。同時(shí)，支座附近容易因?yàn)槊簤?、銹蝕、支座沉降等原因產(chǎn)生損傷。所以，可以認(rèn)為支座附近為結(jié)構(gòu)敏感區(qū)域，是影響結(jié)構(gòu)安全性的最不利位置，在設(shè)計(jì)時(shí)需要特別重視。43 改進(jìn)技術(shù)措施（1）為了減小支座沉降和側(cè)移對(duì)于柱面網(wǎng)殼的影響，宜采用單排支承。（2）為了從根本上保證煤棚的安全使用，建議設(shè)置擋煤墻，使煤堆和網(wǎng)殼隔離。 圖11 高強(qiáng)螺栓剪斷破壞（3）鑒于煤棚結(jié)構(gòu)中突出的銹蝕問(wèn)題，可采用熱浸鋅防腐措施，浸鍍厚度50m。一般情況下可以保證防腐能力達(dá)到15年以上。（4）為了保證結(jié)構(gòu)足夠的安全度，設(shè)計(jì)時(shí)將支座向上三排網(wǎng)格的腹桿和跨向弦桿應(yīng)力控制在比較低的水平（可取材