大跨度儲煤棚網架結構分析

袁亞芳 白 冰 李 鑫 馬文亮 白新理

(華北水利水電大學土木與交通學院，河南 鄭州 450011)

0 引言

隨著計算機信息技術的發展，網架結構的大型通用計算程序相繼產生，使網架結構的計算、分析與設計變得高效簡潔[1]。網架的輕型化特征使得網殼結構不但可以跨越更大的空間，還能進行標準化和規格化的制作[2,3]。近年來，網架結構得到了廣泛發展，美國新爾良“超級育頂”，圓形直徑達到了207 m，為美國超級碗體育賽事而建，在當時規模宏大令人嘆為觀止；日本福岡體育館，圓形穹頂設計，直徑達222 m，是目前世界上最大的球面網架結構[4]。網架結構施工工藝要求高，結構跨度大，在設計和施工方面都有很大的難度，故此類工程易發生事故。為減少結構安全事故，日本傾向于對網架結構的抗震性能分析和研究[5]；劉培祥等[6]提出將Midas gen有限元技術應用于干煤棚網架結構的靜力和振型分析；齊月芹等[7]提出對儲煤棚網架結構進行風洞試驗，解決了多種因素下風荷載體型系數取值問題。

為了研究大跨度儲煤棚網架靜力學性能，本文采用三維數值模擬的方法，以南陽熱電2×210 MW機組儲煤棚為例，分析三心圓柱面網架結構在自重荷載、靜荷載、活荷載、風荷載以及雪荷載等多重荷載組合作用下的靜力學特性，并總結了儲煤棚網架在各工況下的應力應變特征。

1 工程概況

工程名稱：南陽熱電2×210 MW機組工程，本工程位于河南省南陽市高新技術開發區，現有2×210 MW供熱機組，2臺機組分別于2008年3月和2008年5月投產。廠區的布置形式為三列，由南向北依次布置有：配電裝置、主廠房區、貯煤廠區等。熱電廠儲煤場呈東西向布置，東—西長108 m，南—北寬90 m，原設計為露天煤場，四周設有防風抑塵網。2010年4月在露天煤場—東半部建設干煤棚，采用拱形鋼網架結構、單層壓型鋼板圍護，外形如圖1所示。該干煤棚東—西長110 m、南—北向跨度87.8 m、拱頂高約31.35 m，工程于2010年7月15日竣工投運。煤場西部70 m仍為露天煤場。2015年6月10日下午，南陽市出現大風天氣，并伴有短時大雨，電廠廠區受此次異常天氣影響，干煤棚在風力作用下整體垮塌，如圖2所示。

根據工程實況研究垮塌干煤棚的恢復重建方案，恢復方案中對網架結構重新設計并分析了結構的受力特性，該工程的網架桿件截面尺寸信息見表1。

表1 桿件截面尺寸信息

2 儲煤棚網架三維數值模型

網架恢復方案綜合考慮結構使用凈高要求及網殼矢跨比等因素，擬采用“三心圓柱面”空間網格結構，該結構由正交正放四角錐組成。網架長110 m，跨度87.8 m，高度36 m，網格厚度為2.9 m，支座高度為3.0 m，網架的剖面圖及側立面圖分別如圖3，圖4所示。

基于ANSYS有限元軟件建立儲煤棚網架模型，模型的尺寸及其桿件均采用實際尺寸，因而計算模型與實際網架干煤棚是一致的。網架支座是焊接的，可認為網架支座和下部支承結構為剛性連接，各節點的6個方向的自由度與下部支撐結構，通過采用耦合的方式建立了節點自由度之間的聯系，使其兩兩相對應的節點間的自由度具有同一個值。網架的有限元模型如圖5所示。

3 荷載選用與分析

網架結構和其他形式復雜的結構一樣，網架上施加的荷載決定了結構內力分析的合理性與準確性。荷載的確定按照我國現在正實行GB 50009—2012建筑荷載規范規定，主要的荷載形式及其計算規則如下。

3.1 恒載及活荷載

網架結構的恒載及活荷載是指建筑結構在生產使用期間由各種工業活動如檢修、安裝或設備運輸等重物引起的局部的集中荷載，結合實際情況對荷載進行綜合考慮后可用均布的等效活荷載替代。本工程屋面采取輕質壓型鋼板，恒載取值為0.3 kN/m2；網架屋面一般不上人，根據規范取值,屋面均布活載標準值取0.5 kN/m2。

3.2 雪載荷

儲煤棚網架結構因自身尺寸特點，結構跨度較大，因而對雪荷載較敏感，式(1)為雪荷載標準值計算表達式，計算面積取結構水平投影面積。

Sk=μrS0

(1)

其中，Sk,μr,S0分別為雪荷載標準值、積雪分布系數以及基本雪壓。

本工程屋面活荷載為0.5 kN/m2，大于雪荷載取值，所以在分析研究網架時僅考慮雪荷載左、右半跨均勻分布的情況。按照我國規范規定，網架結構的雪荷載標準值按照式(1)計算。該煤棚的屋面積雪分布系數按照式(2)計算，式(2)中的符號含義如圖6所示。

(2)

3.3 風荷載

由于風速的脈動變化引起結構的振動，風荷載從本質上屬于動荷載。但動力分析過程復雜，通常用等效靜力原則將風荷載轉化為一個等效的靜力荷載，這種做法是現行規范允許的。

風荷載的方向可認為是垂直作用于儲煤網架結構的各面，其標準值應按式(3)計算：

ωk=βμzμsω0

(3)

其中，ω0，μs，μz，β分別為基本風壓、體形系數、高度變化系數、風振系數。

3.4 地震作用效應

本工程所在地地震基本烈度7度，加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，分析設計時，分別考慮了水平地震和豎向地震作用效用影響。

3.5 溫度作用效應

作為高階超靜定結構，網架在均勻的溫度場變化作用下，由于結構的特性桿件不能自由的隨著溫度的變化，熱脹冷縮導致桿件內部產生應力即為溫度應力。這種作用必須在模擬計算和實際建造中加以分析研究。施工安裝完畢(網架支座與下部結構連接固定牢固)時的氣溫與工程建造地區常年極高或極低氣溫值的差值為實際工程所處的溫度場的變化范圍。

網架結構設計時，須考慮不同荷載的同時作用，根據恒載不利或有利，風荷載控制或活載控制等不同情況，按照不同的組合系數、分項系數分別進行組合[8]。荷載組合一般表達見式(4):

(4)

其中，q，qG,γo,ψc分別為組合荷載設計值、永久荷載設計值、永久荷載分項系數、可變荷載分項系數。

網架儲煤棚的受力分析共選取了11種荷載組合形式進行計算，組合方式如表2所示。

表2 荷載組合方式

4 儲煤棚網架受力結果分析

在自重荷載作用下，網架的荷載僅為網架結構自身的重力。此時網架結構情況正常，沒有出現較大變形或喪失穩定性，桿件沒有出現彎曲或斷裂的情況發生。

圖7為網架在自重荷載作用下的變形，在結構的頂部產生了網架結構的最大位移為78.84 mm，根據規范規定，儲煤棚網架結構計算的最大位移值不得超過短向跨度的1/400。87.8 m/400=0.219 5 m>78.84 mm,顯然滿足規范要求。

圖8為網架的應力云圖。由圖中顯示可知網架各桿件的最大拉應力為45.8 MPa，最大壓應力為82.8 MPa。

利用ANSYS有限元軟件逐次計算儲煤棚網架在工況1～工況11荷載作用下的應變和應力。計算結果表明，在表3列出的11種工況作用下，網架結構情況均正常，沒有出現較大變形或喪失穩定性，桿件也沒有出現彎曲或斷裂的情況，最大位移都出現在結構的頂端。

由表3可知，在工況1作用下的網架與只有重力作用時相比，結構產生的變形較為明顯，桿件內力有較大的提高；工況2與工況1相比，結構產生了更大的變形，桿件內力有了更大的提高；對于工況3～工況6，隨著風向角的變大，網架的變形和應力卻不斷減小；在工況7～工況10作用下，風荷載對網架的變形和內力變化具有重要影響；工況11與工況1相比，結構產生了較為明顯的變形，桿件的內力也有較大的提高。

表3 網架的最大位移與應力

風荷載對儲煤棚網架的受力具有重要的影響，為了進一步了解儲煤棚網架結構的受力特性，本文選取該結構的荷載最不利組合工況7進行深入研究。

工況7：靜荷載與風荷載的取值，按照經驗和規范要求分別取基礎值的1.2倍與1.4倍，活載取基礎值的0.98倍。工況7作用下網架的變形和應力分別如圖9，圖10所示，0°,30°,45°,60°四個風向角分析情況中，最大位移和應力是在0°角橫向風的情況下產生的，此時最大位移為216.6 mm，最大應力為236.9 MPa。風荷載的方向為正橫向時，研究網架結構的桿件單元受力情況，此工況下，上弦桿和下弦桿為較危險的桿件單元，下弦桿的危險系數仍為最高，如表4所示。

表4 荷載組合7作用下受力較大的10根桿件

5 結論

本文研究了該網架結構在不同荷載組合情況下的變形能力和受力特性，所得結論如下：

1)恢復重建的網架結構在最不利的荷載組合作用下，最大撓度值為216.6 mm，小于規范規定的撓度值。研究受力較大的桿件發現，上弦桿與下弦桿是整個結構中最危險的桿件單元，因此優化設計時需適當提高這兩類桿件的強度。

2)兩邊落地前后敞開的三心圓柱面儲煤網架結構對風荷載最敏感，網架的變形情況與風向和風力有很大的關系。在與結構成角度的斜風荷載作用下，結構發生明顯的扭轉變形，內力分布與跨向風有顯著的差別，桿件內力出現由拉變壓或由壓變拉。因此設計儲煤網架結構時，斜風工況必須考慮。

3)恢復重建的網架結構的應力和撓度均滿足我國規范要求，證明該結構設計合理，結構穩定可靠，可為同類網架結構恢復方案的重新設計、制作安裝提供參考依據。