柱面網殼儲煤棚設計探討

吳英家

(大同煤礦集團設計研究有限責任公司，山西 大同 037003)

1 工程概況

本工程為某礦業公司煤場封閉工程。工程位置位于大同市云岡區某礦業公司主井工業場地內，煤場西側緊鄰運煤鐵路專線，東側為口泉河溝。整個煤場在清煤后的場地比較平整，分為兩個矩形：一個可用矩形場地橫向寬度54 m，橫向無高差，縱向長度84 m，設計為儲煤棚一；第二個可用矩形場地橫向寬度45 m，橫向無高差，縱向長度84 m，設計為儲煤棚二。場地位于8度區(0.2g)，場地為填溝形成，表層雜填土10 m～15 m厚度不等，以下分別為卵石層及砂巖層。本文以煤棚一為例進行闡述。

2 結構選型

因現場有較大的存煤量要求，建設單位要求地面以上設置10 m高擋煤墻，然后在擋煤墻上部做鋼結構封閉。另外，擋煤墻上部有原有輸煤鋼棧橋通過，上部鋼結構部分應預留孔洞，以便原有輸煤棧橋通過。考慮存煤高度較大，本工程下部采用扶壁式鋼筋混凝土擋煤墻，上部鋼結構采用圓柱面網殼，這樣也與相鄰的已經建成的精煤棚(鋼結構部分為20 m高圓柱面網殼)相延續，設計采用矢高為20 m的圓柱面網殼，整體看起來比較美觀。同時，圓柱面網殼受力性能好，節約鋼材，經濟效益好。

3 計算模型的邊界條件確定

根據《網格規程》[1]第4.1.6條，空間網格結構分析時，應考慮上部空間網格結構與下部支承結構的相互影響。空間網格結構的協同分析可以把下部支承結構折算等效剛度和等效質量作為上部空間網格結構分析時的條件，也可以將上、下部結構整體分析。由于一般網殼結構桿件數量很多，考慮到計算條件有限，本工程網殼計算設計軟件采用同濟大學的3D3S進行單獨的分析與截面優化，并考慮下部支承結構的影響。組裝模型利用YJK建模計算，主要用于整體結構分析驗算。

本工程下部支承結構為擋煤墻的扶壁柱，柱頂高度13.000 m，柱頂不設聯系梁，擋煤墻頂部高度為10.000 m，每隔3 m設置扶壁墻，見圖1。網殼結構模型的水平支承剛度與下部支承結構密切相關，如何確定網殼彈性支座剛度，是確定合理的邊界約束的關鍵。在下部支承結構斷面較大且高度不大的情況下，假定支承剛度無窮大時，僅考慮網殼支座的剛度對網殼計算分析結果影響不大，但是當下部支承結構高度較大時，很明顯要考慮支承結構和支座剛度的串聯作用。

網殼長度84 m，支座間距9 m，局部12 m，開洞處6 m?？紤]網殼跨度較大且縱向長度較大，網殼縱邊支座設計為雙向板式橡膠支座，支座球節點平動得以約束，通過橡膠墊的剪切及壓縮變形模擬球節點的轉動。雙支座示意圖見圖2。本工程支座橡膠墊的總厚度取50 mm，長、寬各為350 mm,橡膠層總厚度為38 mm,根據《空規》附錄K式(K.0.4-1)：

水平橫向剛度Kx0由于有短柱支擋，可視為無窮大。

網殼端邊(山墻)支座為固定鉸支座，考慮下部支承結構的影響，則計算模型的支座剛度為下部支承結構的剛度，可根據PKPM或YJK的模型計算出剛度。

4 荷載確定

4.1 恒載

網殼圍護結構為C型檁條加單層彩色壓型鋼板，上荷恒載取0.20 kN/m2,下弦考慮燈具及管道等吊掛荷載，取恒載為0.1 kN/m2,網殼節點自重占網殼總重的25%。

4.2 活荷載

依據《荷載》[2],屋面活荷載為0.5 kN/m2。依據《電廠結構規程》[3],屋面活荷載為0.3 kN/m2，本工程取活荷載為0.3 kN,并考慮半跨活荷載驗算。

4.3 雪荷載

依據《荷規》第7.1.2條，屋面活荷載取100年重現期的雪壓0.4 kN/m2。雪荷載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。

4.4 風荷載

場地基本風壓為0.55 kN/m2，依據《荷規》第8.1.2條，網殼結構屬于對風荷載敏感結構，風荷載取100年一遇風壓0.65 kN/m2。根據《荷規》8.4.2，本網殼工程的風振系數應有風洞試驗確定，考慮到條件有限及工期緊張，最后取3D3S軟件自動計算的結果和以往工程的風振系數的經驗數值1.6～1.8區間做對比，取較大值。

4.5 溫度作用

由于網殼結構平面尺度較大，溫度變化是對結構的主要作用之一。維護采用單層壓型鋼板且無采暖，室內外溫差為零。根據大同當地基本最高氣溫及最低氣溫分別為32 ℃及-22 ℃，考慮施工期主要為每年4月～10月底，設計要求施工合龍溫度在5 ℃～15 ℃之間，根據《荷規》9.3.1：

結構升溫ΔT+=32-5=27 ℃。

結構降溫ΔT-=15+22=37 ℃。

4.6 地震作用

根據《網格規范》4.4.2條，網殼結構應考慮水平及豎向地震作用，由于網殼模型計算時要考慮下部結構的質量影響，將下部支承結構的質量的一半按附加質量輸入在模型支座節點上來近似考慮支承結構的質量影響。

4.7 荷載組合

活荷載和雪荷載不同時考慮，雪荷載的不同工況和活荷載在3D3S中按互斥荷載輸入，荷載組合按GB 50068—2019建筑結構可靠度設計統一標準執行。基本組合取永久荷載分項系數為1.3，可變荷載分項系數為1.5。地震組合按《抗規》[4]執行。

5 設計指標控制

關鍵桿件(按《抗規》執行)應力比按最大0.7控制，其他重要桿件(上下弦桿及開洞處附近桿件)應力比按最大0.8控制。次要桿件(如大多數腹桿)應力比最大為0.85。關鍵受壓桿件長細比按120控制，其他受壓桿件按180，關鍵受拉桿件長細比最大按200控制，其他受拉桿件長細比按250控制。網殼的最大撓度為62 mm<54 000/250=216 mm，滿足要求。本工程網殼部分單位用鋼量為29.4 kg/m2(投影面積，不含檁條)，經濟效益較好。

6 結語

1)圓柱面網殼應用于封閉儲煤棚工程較多，適應性很好，經濟效益好。

2)條件允許的情況下，可采用網殼與支承結構的組裝模型進行整體計算分析。網殼模型單獨計算分析時，邊界條件的確定應符合實際情況，支座剛度的正確模擬對計算影響很大。下部支承結構比較復雜的情況下，可采用計算程序確定支承剛度。

3)網殼結構對風、雪荷載比較敏感，對風、雪荷載的確定按100年一遇確定，并考慮雪荷載的不利布置。同時，也要合理確定合龍溫度，保證溫度作用的計算準確。

4)考慮到網殼桿件尺寸、厚度等有負公差及施工高空作業，桿件及節點的應力比控制不宜控制的太大，一般不超過0.9，否則有安全隱患。