興保鐵路儲運裝大跨度柱面網殼設計

周康喆　田承昊

(中國鐵路設計集團有限公司，天津　300250)

1　工程概況

興保鐵路項目是中南部鐵路通道重要集運線。煤炭儲運裝系統是興保鐵路的主要工程，包括受煤系統、儲煤系統、鐵路快速裝運系統等,位于山西省保德縣馮家川鄉。大跨度儲煤棚設置在鐵路環線內，共兩列，五座。汽車外來煤由汽車運至受煤區卸車后，由振動給料機給至受煤皮帶，經受煤坑下皮帶機一次轉載后運至儲煤區T2轉運站，長距離皮帶系統來煤也由皮帶機轉載至T2轉運站，在T2轉運站內轉變煤炭的運輸方向，可由皮帶機轉載運輸并卸至1號～3號三個堆場儲存，也可直接轉載卸至4號、5號兩個堆場儲存。

2　結構選型

依據儲煤能力要求，儲煤棚按兩列布置，根據功能和建筑要求，為避免結構超限，設計為五座柱面鋼網殼，拱高37.0 m，跨度84.0 m，每個長137 m，中間設11 m寬伸縮縫兩道。采用常見的正放四角錐柱面網殼，鑒于現場施工條件惡劣，主體結構采用螺栓球節點雙層柱面網殼，為下弦節點支承形式，支座間距為6.8 m。網殼剖面圖見圖1，圖2為相對典型的3號儲煤棚平面布置圖。

3　結構分析與設計

3.1　荷載組合

網殼主要荷載有靜、活荷載，考慮溫度作用[1-3]。煤棚存在大面積堆載，支座位移設計需考慮，取值為:支座橫向水平強迫位移20 mm，相鄰支座不均勻沉降4 mm，作為可變荷載工況參與荷載組合。應適當考慮積灰荷載。結構安全等級為一級，結構重要性系數為1.1。

3.2　風振系數取值

設計采用的風振系數βz按照工程經驗統一取值1.65。

3.3　設計參數

1)長細比：支座處拉桿長細比限值為150、壓桿為120，其他桿件依據規范設計。支撐端處腹桿按壓桿考慮。

2)應力比:一般桿件應力比限值為0.85。

3)撓度限值:L/450(L為跨度)。

4)高強螺栓：干煤棚所處環境易造成鋼結構的銹蝕，關鍵節點控制工況組合設計值應乘以1.2的增大系數。

3.4　雙向彈性支座設計

儲煤棚煤場堆煤高度為12 m,存在大面積堆載作用,采用預壓法對煤場進行預壓。基礎采用獨立基礎。網殼結構通過支座落于獨立基礎之上。支座節點的設計和支承條件的假定是關乎網殼結構的整體穩定和安全重要因素。

溫度效應使網殼沿縱向對支座產生較大的剪力，為避免切向產生較大的剪力，減小支座的設計復雜度，將網殼的邊界條件在計算模型中設計成沿跨度方向支座為釋放縱向位移、約束徑向和豎向位移的鉸支座，山墻支座為僅約束豎向位移的鉸支座，見圖3，圖4。由于網殼結構的跨度較大，支座的水平推力較大。在支座設計和與下部結構的連接設計時，經綜合對比，選用雙向彈性鉸支座模型，即設置兩個呈垂直布置的板式橡膠支座，水平支座傳遞豎向反力，豎向支座承受水平反力。兩個支座的轉動中心與支座螺栓球形心重合，以保證支座邊界條件的“鉸接”約束的效應。雙向彈性鉸支座與邊界假定一致。需對支座采取防腐抗老化等構造措施；并用橡膠墊板與基礎鋼板或混凝土間可用502膠等膠結劑粘結固定。

4　非線性極限承載力分析

根據結構的特征值屈曲分析結果及受力特性、截面校核等方面的結果分析，采用有限元軟件對網殼進行線性屈曲分析和考慮幾何非線性的荷載—位移全過程分析，荷載模式：恒荷載+半跨均布活荷載，恒荷載+全跨均布活荷載。選取的典型節點有兩個，分別為無山墻支承處網殼中節點及1/4跨節點。兩種模式下，引入初始幾何缺陷，分別對應結構特征值屈曲的第一階及第二階模態。缺陷最大值為跨度的1/300，加載方式為位移控制。在兩種初始缺陷下，上述兩個典型節點的位移與荷載的曲線見圖5。兩種模式下得出的結構極限荷載比例系數分別為20.64，20.84。由以上分析可知:

1)在彈性非線性分析中，非不利狀態荷載模式為恒荷載+半跨荷均布活荷載。

2)彈性非線性分析及線性屈曲分析情況下，兩種初始缺陷所得結果基本相同，均滿足要求。

5　結語

1)設計過程中應根據工程具體情況考慮適當的支座形式。

2)網殼設計中，風載體型系數選取應按照風洞試驗或相類似工程試驗選用。

3)網殼結構體型風荷載取值:頂部取風吸力峰值，各個角度迎風面正壓區在底部取得峰值;結構風振系數βz可取1.65。

4)穩定性特點:考慮幾何非線性的荷載—位移全過程分析和線型屈曲分析，前者安全系數低于后者，但均大于規范的限值。

參考文獻:

[1]JGJ 7—2010,空間網格結構技術規程[S]．

[2]沈祖炎，陳揚驥．網架與網殼[M]．上海:同濟大學出版社，1996．

[3]DL 5022—2012,火力發電廠土建結構設計技術規范[S]．

[4]葉孟洋，顧明.大跨度干煤棚結構表面體型系數試驗研究[J].結構工程師,2007(1):62-66.

[5]郭云，陳輝．某熱電廠大跨度干煤棚結構設計與分析[J]．建筑結構，2015(17):49-53．

[6]BILOW DAVID N，MAHMOUD KAMARA．U．S．General services administration progressive collapse design guidelines applied to concrete moment-resisting frame buildings[A].2004 ASCE Structures Congress[C].2004．

[7]董繼斌，劉善維．網殼結構的邊界條件和支座設計[J]．空間結構，1997(11):39-46．

[8]曹資，張超，張毅剛，等.網殼屋蓋與下部支承結構動力相互作用研究[J]．空間結構，2001(6):19-26．

[9]高修劍.于家堡火車站穹頂網殼雙鉸支座設計[J].鐵道工程學報,2014,31(12):83-87.