108米跨度干煤棚三心圆柱面网壳研究与设计

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煤堆压住网壳节点和杆件的现象，造成杆件的附加内力，而且会加重构件的锈蚀程度（图10）。（4）高强螺栓是按照轴心受拉构件设计的，但是在支座附近会产生较大的附加弯矩和附加内力，螺栓在受拉的同时，还可能承受比较可观的弯矩和剪力。在以往的工程事故中，螺栓的破坏形式主要是剪断（图11）。图9节点和杆件锈蚀破坏图10干煤棚不正常堆煤现象螺栓的破坏形式主要是剪断（图11）4．2影响结构安全性的最不利区域经过计算表明，支座附近的杆件和节点是十分重要的，荷载都通过这些构件传递到支座上。同时，支座附近容易因为煤压、锈蚀、支座沉降等原因产生损伤。所以，可以认为支座附近为结构敏感区域，是影响结构安全性的最不利位置，在设计时需要特别重视。4．3改进技术措施（1）为了减小支座沉降和侧移对于柱面网壳的影响，宜采用单排支承。（2）为了从根本上保证煤棚的安全使用，建议设置挡煤墙，使煤堆和网壳隔离。图11高强螺栓剪断破坏（3）鉴于煤棚结构中突出的锈蚀问题，可采用热浸锌防腐措施，浸镀厚度≥50µm。一般情况下可以保证防腐能力达到15年以上。（4）为了保证结构足够的安全度，设计时将支座向上三排网格的腹杆和跨向弦杆应力控制在比较低的水平（可取材料设计强度的0.8倍），同时应适当调高与这些杆件相连高强螺栓的强度等级。（5）风荷载是本工程中的主要荷载。由于风向角、风力及堆煤情况的变化，风荷载具有随机不确定的特点，导致结构受力情况复杂。所以进行风洞实验确定体型系数是非常必要的。（6）网架规程中规定压杆容许长细比为180，一般拉杆容许长细比为400，支座附近处为300。考虑到荷载工况多，结构受力复杂，反弯点的位置不确定，杆件会出现拉压变化，设计时采用的容许长细比为压杆180，拉杆200。