大跨度煤場預應力拱形管桁架結構設計要點

李少榮,楊小軍

(中煤西安工程設計有限責任公司,西安 710054)

露天儲煤場一般占地面積較大,尤其是跨度超過130 m的儲煤場,在考慮經濟性的前提下,若采用常規的網架或者網殼結構需采用多跨,煤場中間需設置結構柱,影響煤炭堆放和機械作業。預應力拱形管桁架作為一種成熟的大跨度鋼結構體系,若應用于煤場封閉中,煤棚內部無混凝土柱,內部空間大,空間利用率高,推煤機在內部運行不受影響,可提高儲煤容量。預應力的引入最大限度優化結構內力,減小支座水平推力,保證超大跨結構安全。

預應力鋼結構已廣泛應用于國內外大型民用公共建筑領域。如近些年的世界杯、奧運會等大型體育場館工程,應用比例已達60%以上。在工業建筑領域,個別大型電廠的煤場封閉也開始使用預應力拱形管桁架結構,國內最大跨度達到229 m左右[1]。

1 工程概況

榆樹灣煤礦現有地銷煤場寬約200 m,長度方向最長處約255 m,最短處約為165 m,主要用來儲存地銷末煤,存煤量約20萬t,地銷末煤可利用既有901帶式輸送機卸料小車卸落至儲煤場存儲,既有棧橋頂高度26.09 m,留2 m的安全距離,張弦索底標高28.09 m,儲煤場剖面見圖1。

圖1 儲煤場剖面圖Fig.1 Cross-sectional diagram of coal storage yard

2 結構布置及設計參數

2.1 結構布置

本煤場軸線跨度170 m,縱向長度162 m,投影尺寸180 m×168 m,屬超大跨度煤棚結構,采用預應力鋼桁架結構方案。主桁架采用單向張拉拱桁架結構,山墻格構柱通過山墻桁架傳力給次桁架,格構柱間用聯系桁架連接于山墻桁架,形成雙向空間受力結構體系。次桁架間布置箱型截面主梁作為主檁,屋面系統通過主次檁體系傳力,主檁間距5.75 m。煤棚長168 m,桁架間距27 m×6 m,5榀主桁架,2榀山墻桁架,9道次桁架,4道交叉圓鋼支撐。考慮封閉既有棧橋及安全距離后,室內地坪距離預應力拉索最低點為28.09 m,撐桿高度取桁架跨度的1/10[2-3],桁架頂面代表高度45 m。主桁架跨中高度4.5 m,拐點處桁架高度6 m,桁架上弦寬度4 m[4-5]。結構平面布置圖見圖2,結構三維軸測圖見圖3。

圖2 結構平面布置圖Fig.2 Layout plan of structure

主、次桁架為倒三角形截面,主桁架跨中附近上弦及下弦桿為Φ377 mm×16 mm和Φ325 mm×12 mm,側面腹桿為Φ194 mm×8 mm,支座附近上弦及下弦桿為Φ450 mm×16 mm和Φ600 mm×35 mm,側面腹桿為Φ325 mm×12 mm,次桁架上弦及下弦桿為Φ245 mm×10 mm和Φ194 mm×8 mm,側面腹桿為Φ159 mm×6 mm,主桁架張線索為Φ63高釩拉索,撐桿為Φ299 mm×12 mm鋼管,主桁架間十字撐桿為Φ40 mm鋼拉桿。鋼管材料為Q345B,高釩索抗拉強度1 670 MPa,鋼拉桿為Q460B。

圖3 結構三維軸測圖Fig.3 3D axonometric drawing of structure

2.2 荷載取值

1)恒載及活載

屋面鋼結構圍護及彩鋼板荷載0.3 kN/m2,屋面活荷載0.3 kN/m2,馬道活荷載1 kN/m2。

2)風荷載

50 a一遇基本風壓為0.4 kN/m2。儲煤場結構體型復雜,應通過模擬風洞試驗來確定風荷載體型系數。通過模擬風洞試驗,確定了風荷載體型系數,屋蓋表面及山墻面共分34個分區。結合風洞試驗結論,綜合考慮不同風向角的風壓分布情況,分別按照0°向風、135°向風和195°向風計算分析,可得風荷載體型系數大于《建筑結構荷載規范》(GB 50009-2012)[6],風振響應分析后風振系數取1.8,大于一般的結構。

3)雪荷載

50 a一遇基本雪壓為0.25 kN/m2,本工程為雪荷載的敏感結構,采用100 a重現期雪壓為0.30 kN/m2。積雪分布情況分別按全跨積雪的均勻分布、不均勻分布和半跨積雪的均勻分布按最不利情況采用。

4)溫度荷載

據當地氣象資料,考慮升溫30 ℃,降溫-30 ℃,鋼結構合攏溫度為5 ℃～20 ℃。

5)地震作用

設防烈度6°(0.05g),設計分組第一組。

2.3 邊界條件

桁架弦桿固接,腹桿單元釋放,弦桿計算長度系數取1.0,腹桿取0.8,主桁架落地點采用萬向球鉸支座。

3 結構設計與分析

3.1 預應力對結構作用分析

拱形結構在荷載作用下基礎產生很大的水平推力,施加預應力可有效抵抗拱型結構產生的水平推力,減小柱腳的基礎水平反力。為了研究預應力對結構及基礎的影響，將預應力張弦桁架方案和不采用預應力的普通鋼結構方案進行對比分析。取受力最大處(中間榀)桁架在恒載+活載+預應力組合下的內力、反力、變形進行對比,如表1所示。

表1 有無預應力單排桁架內力、反力、變形進行對比Table 1 Comparison of internal force, counter force and deformation with or without prestressed single row truss

3.2 結構動力特性分析

采用 Midas 軟件進行結構特征值分析,采用Ritz向量分析法,使用三向地面加速度作為初始工況,取前180階振型計算,最終結果在X向質量參與系數SumUX=97.58%,Y向質量參與系數SumUY=97.28%,Z向質量參與系數SumUX=90.07%。滿足《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)(2016年版)[7]累積參與質量不小于總質量90%的要求。結構扭轉效應不明顯,屬平面規則結構,結合整形圖可看出所捕捉的前10階振型X向和Y向質量參與系數小于60%,Z向3.3%,前10階振型存局部振動,且主要集中在大跨梁,不屬于結構主要承重構件,不影響結構穩定和強度。

3.3 結構強度計算

設計采用 MIDAS和3D3S兩個程序進行結構體系計算分析,并進行結構剛度、構件強度驗算設計。關鍵構件為主桁架弦桿及支座附近網格,強度、穩定應力比控制為0.85,其他桿件為一般桿件,強度、穩定應力比控制為0.90。應力比結果見圖4和圖5。

圖4 關鍵桿件應力比折線圖(最大0.850)Fig.4 Line chart of stress ratio of key members (the maximum value=0.850)

圖5 一般桿件應力比折線圖(最大為0.90)Fig.5 Line chart of stress ratio of general members (the maximum value=0.90)

3.4 結構位移計算結果

結構位移最大處為中間榀主桁架跨中拉索處,結構最大豎向位移為309 mm,變形為結構跨度1/550,小于《鋼結構設計標準》(GB50017-2017)[8]要求的1/400。X向風荷載作用下結構X向水平位移為164 mm,Y向水平位移為104 mm,最大變形為結構跨度的1/298,小于《拱形鋼結構技術規程》(JGJ/T249-2011)[8]要求的1/200。位移指標滿足規范要求。

3.5 斷索分析

設置中間一榀桁架工作中預應力索斷裂,斷索位置為下弦拉索的端頭,設置斷索的荷載工況為1.0倍恒載+1.0倍活載,斷索后結構最大位移為380 mm,變形為結構跨度的1/447,小于《鋼結構設計標準》(GB50017-2017)[9]要求的1/400,斷索后結構在荷載標準值作用下應力比不大于0.85,故不會發生倒塌。

3.6 結構彈性穩定性分析

鋼結構部分在恒荷載+活荷載最大作用下進行特征值屈曲分析,預先評估結構可能存在的薄弱環節和屈曲構件,預測屈曲荷載上限。利用弧長法進行整體結構全過程分析,依據《空間網格結構技術規程》(JGJ 7-2010)[10]考慮最大節點初始幾何缺陷為結構跨度的1/300,取重力作用下的位移和一階屈曲模態作為初始幾何缺陷分布。不同初始缺陷下結構極限荷載因子如表2所示,滿足規范要求。

表2 不同初始缺陷下結構極限荷載因子Table 2 Ultimate load factor of structure under different initial defects

3.7 節點分析

分別選取管桁架的支座節點、支座附近下弦轉換節點、拉索與張弦桁架連接節點、下弦撐桿節點等關鍵節點,考慮結構材料的彈塑性,選取軸力最大工況下各桿件軸力為桿件荷載,采用Abaqus有限元計算,在2倍設計荷載下,最大等效應力值小于345 MPa,節點強度滿足要求。

3.8 基礎設計

由于場地地下水位較淺(埋深1 m左右),且上部土層承載力較低,基礎采用樁基承臺。采用鉆孔灌注樁,樁徑0.8 m,主桁架基礎樁長11 m,單樁水平承載力特征值230 kN,單樁豎向承載力特征值950 kN,由于基地水平推力較大,樁數量由水平力控制。主桁架采用14樁承臺,承臺大小為8.8 m×8 m×1 m(h)。

4 經濟技術分析

結構總用鋼量為1 824 t(不含次檁及屋面板等維護結構),投影面積為28 560 m2,單位面積用鋼量為63.8 kg/m2。130 m跨度的網殼單位面積用鋼量約為65 kg/m2,超過130 m跨度后網殼結構單位面積用鋼量會更高。本工程跨度為170 m,因此170 m 跨的預應力管桁架結構的經濟性明顯優于網殼結構。

5 結論

1)跨度超過130 m的煤棚結構,從經濟性及適用性考慮,宜采用預應力拱形管桁架結構。

2)根據風洞試驗結果,風荷載體型系數大于《建筑結構荷載規范》的取值,風振系數也大于一般結構,因此對此類跨度較大的結構應進行風洞試驗以確定風荷載效應。

3)給管桁架結構施加預應力可有效減小軸力最大處弦桿軸力,減小跨中撓度,進而減小柱腳基礎水平反力,節約下部結構造價。

4)對此類大跨度煤棚,應選擇足夠的計算振型數(本工程180個)以滿足質量參與系數要求,雖然較多的高階振型為局部振動,但主要集中在大跨梁,不屬于結構主要承重構件,不影響結構穩定和強度。

5)本工程跨度達到170 m,結構中預應力拉索為關鍵部位構件,張弦索破斷失效后,有可能導致結構連續倒塌,應進行斷索分析,防止出現連續倒塌。