某三心圓柱面大跨度網殼結構設計與優化

吳曉龍 張 淵 周福青 徐 欣 王玲玲

(1.北京首鋼國際工程技術有限公司，北京 100043; 2.北京住總集團有限責任公司工程總承包二部，北京 100124)

1 概述

隨著環保要求日益提高，傳統的防風抑塵網已經達不到最新的環保標準，因此為適應新形勢下對大氣污染物控制日益提高的要求，并本著建設綠色環保型電廠的精神，首鋼京唐公司能源部對煤料場進行封閉改造，以滿足環保的要求。當跨度較大(大于60 m)且中部無法設置立柱時，平板網架及門式剛架已經不能滿足其功能要求，三心圓柱面雙層網殼完美的解決了這一問題。

文中主要根據國家現行規范及標準，結合工程實例，介紹三心圓柱面大跨度網殼設計過程。此外，根據現場施工經驗及設計回訪，對大跨度網殼主體結構、支座、檁條等節點進行優化設計。

2 大跨度網殼設計

2.1 結構選型

在確定網殼結構的類型時應綜合考慮結構的受力性能和經濟性。結構受力性能與結構的平面形狀尺寸、結構的矢高、曲面形式、網格形式、邊界支承條件等因素有關[1]。網殼結構應滿足形式簡潔，傳力路徑均勻、明確以及功能要求。根據斗輪機工作范圍、料條堆放位置、周邊建筑物位置及業主要求，最終確定該煤棚結構跨度為136 m(投影跨度143.47 m)，縱向長283 m(投影長度287.94 m)，中部設置一道伸縮縫，兩側山墻封閉，建筑投影面積41 310.8 m2，其剖面如圖1所示，網殼采用正放四棱錐三心圓柱面網殼結構，下弦桿多點支承，網格尺寸為4.94 m×4.94 m，網殼厚度為4.0 m，網殼高44.486 m，天窗高度3.92 m，三維模型如圖2所示。

2.2 結構設計參數

本工程采用MST2016企業版軟件計算，網殼計算模型為空間鉸接桿系結構，因此荷載必須作用在網殼球節點上，桿中不得作用任何荷載。

1)材料：鋼管選用GB/T 700中的Q345B，高強度螺栓選用GB 3077中的40Cr或20MnTiB，螺栓球選用GB 699中45號鋼，焊接球選用Q345B。

2)長細比：一般桿件受壓長細比取180，受拉長細比取250；臨近支座處關鍵桿件受壓長細比取150，受拉長細比取200[2]；關鍵桿件的地震組合內力設計值應乘以增大系數，7度時宜按1.1采用[3]。

3)應力比：考慮到桿件制作安裝誤差，支座沉降等誤差影響，桿件應力比限值取0.90，其強度設計值為283.5 kN/m2。

4)荷載工況：設計煤棚網殼主體結構時主要考慮以下工況：恒荷載(屋面主、次檁條及壓型鋼板)0.25 kN/m2；活荷載[4]0.30 kN/m2；基本雪壓0.40 kN/m2，雪荷載與活荷載取大值計算，并考慮半跨荷載布置情況；基本風壓0.45 kN/m2，根據風洞試驗結果取值；檢修馬道處(含照明及消防水泡)下弦節點荷載3.0 kN；溫度荷載±30 ℃，要求合龍溫度在15 ℃±3 ℃之間；地震作用，根據地勘報告，煤棚所在區域抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，場地地震分組為第一組，場地土類別為Ⅲ類，特征周期為0.45 s，多遇地震計算時采用振型分解反應譜法，取前100階振型進行計算。

2.3 結構設計分析

采用MST軟件參數化建模并進行自動優化計算，為保證桿件剛度的連續性，調整弦桿使得其受力方向相鄰桿件截面面積不宜超過1.8倍[2]。最后確定桿件規格由φ75.5×3.5～φ219×16共15種。研究表明，減小用鋼量較大桿件的極差可減小鋼結構主體用鋼量。

根據計算，所有桿件應力比均在0.9以內，滿足強度要求。桿件最大軸力為2 281.3 kN，位于伸縮縫邊緣，由于伸縮縫邊緣處桿件缺乏山墻約束，類似于三邊簡支、一邊自由的板塊，且網殼結構中部受到的風吸力較大，導致端部桿件產生較大內力。恒活荷載標準值作用下，結構最大撓度為247 mm(1/551<1/250)，風荷載標準值作用下結構側移為212 mm(1/210<1/150)，均滿足剛度要求。采用MIDAS軟件對網殼結構進行穩定性分析，按彈性全過程計算不同工況下網殼極限承載力穩定系數，其中最小值為7.7，大于安全系數4.2，滿足穩定性要求[2]。

此外，采用MIDAS軟件對網殼結構進行罕遇地震作用下彈塑性時程分析作為補充計算，分析結構的抗震性能。模型中桁架單元采用塑性鉸模型，考慮桿件受拉和受壓屈曲及屈曲后的強度退化。根據抗震規范要求，選取三條Ⅲ類場地地震波進行分析，地震加速度最大時程為310 cm/s2，按縱向∶橫向∶豎向=1∶0.85∶0.65的比例輸入，取前20 s地震波進行計算。計算表明，塑性鉸分布于結構伸縮縫端部，以及網殼上端兩側部位，主要集中于腹桿，山墻以及網殼上下弦桿均未出現塑性鉸，且塑性鉸集中部位產生較大相對位移，這是由于腹桿受壓屈曲所引起上下弦桿件之間的相對變位。塑性鉸分布如圖3所示，結構局部產生變形，未發生大面積塌陷，整體仍保持穩定狀態，設計滿足結構“大震不倒”要求。

2.4 鋼結構量統計

網殼桿件與節點理論用鋼量約2 252.54 t，按其覆蓋面積41 310.8 m2，每平方米用鋼量為54.53 kg。結構竣工圖如圖4所示。

3 大跨度網殼結構優化分析

3.1 溫度應力優化分析

本工程各網殼單元縱向長度接近150 m，溫度變化較大時，由于熱脹冷縮效應，桿件長度變化的積累使得網殼結構發生較大的整體變形，最終導致結構支座反力增大，桿件內力增大，結構用鋼量增加。

在不影響網殼結構整體穩定的情況下，通過刪除支座處桿件，分為三種方案：1)原結構：未刪除下弦桿；2)方案一：刪除下弦桿；3)方案二：刪除下弦桿+腹桿，如圖5所示。分析表明，在溫度變化30 ℃的情況下，原結構支座處的反力(縱向)及下弦桿內力均大于方案一與方案二，且從中部支座向兩端支座逐漸增大，最大可達到2.56倍(312 kN/122 kN)。此外，由于桿件減少，溫度應力得到釋放，同時改善支座受力，方案一用鋼量小于原結構；方案二中繼續刪除的腹桿為零桿，不影響結構受力，進一步減少了結構用鋼量。可見網殼縱向長度越大，溫度變化對支座反力及縱向桿件內力的影響越不可忽略。

3.2 支座優化分析

網殼支座一般由鋼結構廠家制作，批量運輸至現場，其做法一般如圖6a)所示。錨栓突出混凝土表面，不利于成品支座安裝及滑移法施工，影響施工進度及方案。

針對上述問題，對支座節點進行優化，如圖6b)所示，支座優化節點不使用錨栓及底板，將加勁板直接焊于預埋件上，采用剖口焊縫。通過設計預埋件尺寸、厚度及錨筋的數量和直徑，算得預埋件下混凝土的局部受壓應力及加勁肋應力，均未超過其強度設計值。該方法不僅簡化了施工工藝，而且減少了結構用鋼量。

3.3 伸縮縫處節點優化分析

網殼結構縱向長度較大時，需設置多道伸縮縫。分析表明，增大伸縮縫間距，網殼主體鋼結構覆蓋面減小，可減少主體結構的用鋼量，但是增大伸縮縫距離會導致位于下弦桿的縱向檢修馬道懸挑距離較長而導致無法連接，檢修人員無法通過。本文對伸縮縫馬道處網殼結構進行優化，如圖7所示，通過局部增設下弦桿件及腹桿，網殼可設置縱向貫通的檢修走道；同時，伸縮縫處檁條節點進行相應改進，如圖8所示，將伸縮縫處檁條制作成可沿縱向滑動的檁條，根據線膨脹公式計算出檁托板上溜槽寬度。該做法不僅可以固定檁條，也可以適應網殼由于溫度變化所產生的變形，減少主體結構的用鋼量。

4 結論與建議

本文按照規范要求，借助有限元軟件，結合工程實踐，對大跨度三心圓網殼結構進行設計及優化，得出以下結論：罕遇地震作用下，大跨度網殼結構產生局部變形，但整體滿足“大震不倒”要求；建議刪除支座處水平系桿，該做法可釋放桿件溫度應力，可大幅度減小支座反力，使得結構受力更為合理；優化支座節點可簡化施工工藝；通過增大伸縮縫間距，局部增設弦桿，將伸縮縫處檁條設置為縱向可滑動檁條，可減少網殼鋼結構主體用鋼量。