干煤棚设计

网架支座跨向的水平约束应按弹性计算，如果对算得的弹性刚度没有把握，可以通过比较网架的支座水平位移和柱的柱顶位移来平衡，取值应比柱子刚度稍小点，验算柱子时支座反力的水平力要适当放大。原来见过采用混凝土柱的煤棚结构，其柱子采用H形截面，而且柱顶是单支座的，双支座相比单支座，柱子的弯矩要小一些，支座反力中的水平力是一正一负，施加到柱上应取合力，在你的图中，大约250KN，应该可以接受。支座可以考虑加埋板，并设抗剪键，埋板可以在两个支座中通长设或设两块然后采用型钢连接，你现在的支座不能承受水平力，可以考虑在外侧支座外增加垂直支座，同时网架计算时应考虑内侧支座水平位移释放的情况，这时两个支座间的杆件要大一些。经测算你的模型用钢量才26Kg/m2，这种支座处理，相当于将柱子的反弯点调到了柱中部，对网架计算有利，实际要考虑打折扣，网架要适当留有余量；同时网架施工中应注意严格控制跨向两支座间的距离，防止因安装带入较大的初始缺陷。附支座侧向支点的示意图。像这样大跨度以及高度的三心圆柱面干煤棚网架，风荷载主要考虑体型系数以及风振系数；严格上说是应该做风洞实验的，如果能找到类似结构的风荷载参数，那也可以作为一种参考。干煤棚网架，很多时候是落地的，如果按照常规的弹性刚度方法来设置支座弹性刚度值，那么支座反力往往很大，实际上规程上的计算弹性刚度的公式只适用于独立柱，而其他情况，它只是模糊的说了按照等效刚度来代替；实际工程中的条件是千变万化的，只有整体分析才能得出最符合实际的结果，而现在的网架设计往往是网架和下部结构分开计算的，这种设计往往就是误差的根源之一；再者，由于网架设计中常常是满应力优化，大多数杆件的应力往往接近限度的，所以在设计的时候是应在在设计值或者应力比上做一定的安全折减。对落地的干煤棚网架，过大的支座反力已经不是通常的平板支座能承受的，或者说平板支座已经不合理了，目前大家片面广泛应用平板支座，而对其计算方式以及极限承载力也没有足够的认识，通过适当的位移释放以及选用合适的支座才是合适的方法。本结构的风荷载，在没有其他资料可以参考的情况下，可以试着按如下思路施加：1.横向风荷载根据荷载规范表7.3.1第4项，其中f/l应顶段圆弧和底部圆弧分别计算（个人认为其与曲率有关，但是有根据的资料没有见过），就是下部圆弧将上端延伸至与下部节点对称位置，计算f/l，而上部圆弧也将两个端点延伸至柱节点标高，再计算f/l.2.纵向风荷载，这种结构应该是两端开敞，但内部堆物又对风荷载的作用有影响。可以参照荷载规范表7.3.1第27项，分别施加对于网架表面的受压风荷载和受拉风荷载，体型系数取±1.0，同时纵向按5%~10%施加水平风荷载。3.以上风荷载的取值符合规范即可，不要过于保守，以免对结构影响过大；应参考当地风玫瑰图，对主风向部分加大荷载进行计算，特别是主风向对着端开口并与端部形成一定夹角时，受力情况可能更复杂一些落地干煤棚存在大量的煤堆载情况设计时应考虑强迫位移，包括横向水平强迫位移和相邻支座不均匀沉降。荷载组合应考虑静+半跨活。108米跨度干煤棚三心圆柱面网壳研究与设计罗尧治胡宁沈雁彬（浙江大学空间结构研究中心）摘要：鸭河口电厂干煤棚跨度为108米，是目前亚洲跨度最大的柱面结构。本文从结构选型、受力分析、结构设计、构造措施等方面进行详细的研究并给出比较确切的风载体型系数。根据干煤棚结构的特点，结合作者以往的设计经验和相关课题的研究成果，阐述了煤棚设计和实际使用中注意的问题，并提出一些重要的建议。本文对大跨度煤棚结构的设计和推广具有一定的指导意义。关键词：干煤棚；三心圆柱面网壳；结构设计；体型系数一、概述干煤棚是火电厂中存储煤的一种大型库房。干煤棚结构要求跨度大、净空高，满足存储和作业空间。干煤棚结构发展至今已有二十年的历史，使用过的结构形式主要有平面刚架、平面桁架、平面拱以及柱面网壳结构。根据已经建成的干煤棚结构的技术经济指标的比较[1]，柱面网壳具有明显的优势，目前已成为干煤棚结构的主要结构形式。河南省鸭河口电厂干煤棚设计跨度108米，长度90米，采用正放四角锥三心圆柱面双层网壳的结构形式，是目前亚洲跨度最大的三心圆柱面煤棚结构。虽然鸭河口电厂干煤棚的跨度很大，但是由于经过优化设计，采取合理的构造措施，使该煤棚结构的技术经济指标比较理想。现将煤棚中使用柱面网壳形式的部分工程进行技术经济指标的比较（表1）。表1部分柱面网壳干煤棚结构的技术经济指标指标工程名称平面尺寸跨度´长度(m´m)网格形式节点形式支承位置最大杆件(mm)最大球径(mm)用钢量(kg/m2)（投影面积）建成日期嘉兴电厂103.5´88斜置四角锥螺栓球和焊接球双排支承Ø273´1665062.21994台州电厂二期80.144´82.5正放四角锥螺栓球和焊接球双排支承Ø219´14550471996石门电厂二期75´113.4抽空正放四角锥螺栓球下弦支承Ø219´20Ø300511995湘潭电厂B厂75´52正放四角锥焊接球下弦支承Ø168´12Ø400341999益阳电厂75´108正放四角锥螺栓球下弦支承Ø180´12Ø240442000本工程108´90正放四角锥螺栓球上弦支承Ø159´10Ø260442001二、结构形式和几何尺寸确定2．1结构形式确定柱面网壳中使用的网格形式通常有正放四角锥形式，正放斜置四角锥形式，抽空四角锥形式及桁架式等。桁架式网壳的空间受力性能不佳，侧向稳定性差。正放斜置四角锥形式传力不直接，在两边开口处杆件内力集中。正放四角锥形式通过跨向的弦杆将力直接传递到附近的支座，传力路径直接明确。因此，本工程采用正放四角锥形式。2．2几何参数确定鸭河口电厂干煤棚采用三心圆柱面网壳形式。三心圆柱面网壳有受力合理、结构刚度大、施工方便的优点，并且可以充分利用室内空间，降低结构标高。(a)总平面图(b)正立面图?侧立面图图1干煤棚结构几何尺寸三心圆柱面网壳的受力性能与体形有密切的关系。决定三心圆柱面体形的几何参数主要有[2]：跨向网格尺寸、跨向网格数、落地角（柱面圆弧在支座处的切线与竖直面的夹角）和网壳厚度等。这些几何参数的变化导致网壳技术、经济指标有规律的变化。当一个几何参数增大而其它参数不变时，各项技术、经济指标的变化趋势如表2所示。表2几何参数对结构技术、经济指标的影响矢高内力峰值挠度水平推力用钢量跨向网格尺寸a增大增大减小减小减小增大跨向网格数N增大增大减小减小减小增大落地角b增大增大减小减小增大减小网壳厚度h增大减小减小增大增大在煤棚的结构设计中，斗轮机的工作范围是决定体形的重要因素，研究表明[2]，结构内侧越靠近斗轮机工艺界线，结构的展开面积越小，其用钢量越省。依照参考文献2的方法，对结构几何参数进行优化设计，最后确定跨向网格尺寸为3.95米；跨向网格数为37格，其中大圆的半径R=70.1389米，圆弧夹角61.32°，网格数为19格，小圆半径r=37.4996米，圆弧夹角54.34°，网格数为9格；落地角为5°；网壳厚度为3.5米。2．3支座位置的选择落地柱面网壳结构通常有三种支承方式：上弦节点支承、下弦节点支承和上下弦节点共同支承。表3所示为三种支承方式各项技术、经济指标的比较。上弦支承与下弦支承相比，内力峰值减少33%，杆件内力变化均匀，杆件重量减少6吨。采用双排支承也能获得比较好的技术、经济性能。但是双排支承的柱面网壳受力性能类似无铰拱，由于在支座处限制角位移，产生较大的弯矩作用，并且对于支座的侧向移动十分敏感，支座附近的杆件和螺栓容易产生附加应力。根据计算，当支座产生50mm的跨向水平强迫位移时，支座附近杆件内力增大十分明显，并且出现拉压杆变号。另外，双排支承增大了承台面积，增加基础的工程造价。因此，本工程中采用上弦节点支承。表3上弦支承和下弦支承结构技术、经济指标的比较杆件最大压力(kN)杆件最大拉力(kN)支座竖向力(kN)支座水平力(kN)杆件用钢量（t）上弦支承-710608810516357下弦支承-1065601807449363双排支承-1003856957.7681.63252．4柱面网壳构造处理在设计中支座沿纵向间隔布置，并将上弦纵向边界的非支座节点及相连杆件去除，同时添加二根斜向上弦杆，如图2所示。图2抽空非支座上弦节点的构造处理示意图如此构造处理产生比较好的效果，主要有以下三点：（1）被抽空的上弦节点处受力很小，相连杆件内力主要来自温度应力，数值很小，对网壳受力性能的影响可以忽略不计。如果煤棚在使用过程中不正确的堆煤造成对这些节点和杆件的挤压，会产生不必要的附加内力，对网壳受力性能产生负面影响，所以这些节点和杆件应去掉为好。（a）抽空非支座上弦节点(b)不抽空非支座上弦节点图3杆件内力图（2）抽空节点上方添加两根上弦杆后，支座附近杆件内力更加均匀。将抽空节点和不抽空节点两种方案的比较，如图3所示。通过比较发现，抽空节点后添加的两根上弦杆分担了一部分力，降低了杆件内力的峰值。不抽空时的杆件内力最大值为687kN，抽空时的最大值为382kN，峰值下降44%。（3）抽空节点和杆件后既丰富了立面的效果，又可以作为运输煤的通道，而且可以降低网壳内表面的风压值。三、荷载分析和结构受力特性3．1风荷载体型系数的分布该煤棚结构体型巨大，风荷载是结构的主要荷载。目前开口的三心圆柱壳的风载体型系数无现成规范可依，所以进行风洞试验以确定体型系数。以往的柱壳设计中，常常采用90°和30°的水平风荷载下的体型系数作为设计的依据。但通过风洞试验的数据分析，表明在不同的水平风向角作用下结构的受力情况有较大的差异，结构反弯点的位置有较大的不同。而且，在有向下倾角风荷载作用下，与水平风荷载相比，结构受力往往更加不利。与以上两个参数相比，有无堆煤对结构的影响不大。为了更加真实反映结构在风荷载作用下的实际受力情况，经过数据分析、归纳后，在设计中可采用四种不同的风荷载体型系数。体型系数的区域划分见图4，对应的体型系数见表4。图4体形系数区域划分表4风荷载体型系数风荷载与结构夹角ⅠⅡⅢⅣⅤabcabcabcabcabc90°1.10.5-0.6-0.3-0.275°、60°1.21.20.90.50.1-0.1-0.5-0.7-0.5-1.2-1.1-0.6-1.5-1.0-0.545°、30°1.00.80.50.70.40.2-0.2-0.4-0.4-1.4-0.9-0.5-1.4-0.8-0.415°0.90.50.30.80.40.20.60.20.1-0.5-0.10.1-0.7-0.2-0.13．2结构受力特性由于结构两边支承两边开口，所以呈现单向受力状态。网壳跨向杆件内力较大，而纵向杆件内力较小。图5、6分别是结构在竖向荷载作用下和90°夹角风荷载作用下的内力变形图。(a)上弦内力图(b)下弦内力图?结构变形图图5竖向荷载作用下结构内力变形图(a)上弦内力图(b)下弦内力图?结构变形图图6风荷载作用下结构内力变形图图7所示为结构在不同风向角的风荷载作用下上弦平面杆件内力分布展开图，图8所示为上弦平面节点位移展开图。通过内力和位移的比较可以看出，在不同风向角的风荷载作用下，结构的内力分布和位移有很大的差异，杆件在某些工况下受拉，在另外的工况下受压，每种工况都控制一批杆件的最大内力。所以，只考虑一种风荷载方向进行设计的方法不够全面。(a)90°(b)75°和60°?45°和30°(d)15°图7不同风向角的风荷载作用下上弦平面杆件内力分布展开图(a)90°(b)75°和60°?45°和30°(d)15°图8不同风向角的风荷载作用下上弦平面节点位移展开图四、干煤棚网壳设计、施工和使用中存在的问题及改进技术措施4．1干煤棚网壳设计、施工和使用中存在的问题（1）煤棚结构存在大面积堆载的问题。由于大面积的堆载，容易造成网壳支座的沉降和向外滑移，由此产生附加内力，对支座附近的节点和杆件有一定的影响。（2）煤棚结构存在比较严重的锈蚀问题。煤中含有大量的腐蚀性物质，钢材与这些腐蚀介质发生电化学反应，产生锈蚀（图9）。（3）以往建成使用的煤棚结构内时有发生