108米跨度干煤棚三心圆柱面网壳研究应用与设计.doc

108米跨度干煤棚三心圆柱面网壳研究与设计

罗尧治 胡宁 沈雁彬
（浙江大学空间构造研究中心）

摘 要：鸭河口电厂干煤棚跨度为108米，是当前亚洲跨度最大柱面构造。本文从构造选型、受力分析、构造设计、构造办法等方面进行详细研究并给出比较确切风载体型系数。依照干煤棚构造特点，结合伙者以往设计经验和有关课题研究成果，阐述了煤棚设计和实际使用中注意问题，并提出某些重要建议。本文对大跨度煤棚构造设计和推广具备一定指引意义。
核心词：干煤棚；三心圆柱面网壳；构造设计；体型系数
一、概述
干煤棚是火电厂中存储煤一种大型库房。干煤棚构造规定跨度大、净空高，满足存储和作业空间。干煤棚构造发展至今已有二十年历史，使用过构造形式重要有平面刚架、平面桁架、平面拱以及柱面网壳构造。依照已经建成干煤棚构造技术经济指标比较[1]，柱面网壳具备明显优势，当前已成为干煤棚构造重要构造形式。
河南省鸭河口电厂干煤棚设计跨度108米，长度90米，采用正放四角锥三心圆柱面双层网壳构造形式，是当前亚洲跨度最大三心圆柱面煤棚构造。
虽然鸭河口电厂干煤棚跨度很大，但是由于通过优化设计，采用合理构造办法，使该煤棚构造技术经济指标比较抱负。现将煤棚中使用柱面网壳形式某些工程进行技术经济指标比较（表1）。
表1 某些柱面网壳干煤棚构造技术经济指标
     指标
工程名称
平面尺寸
跨度´长度
 (m´m)
网格形式
节点形式
支承
位置
最大
杆件(mm)
最大
球径(mm)
用钢量(kg/m2)（投影面积）
建成
日期
嘉兴电厂
103.5
´88
斜置
四角锥
螺栓球和焊接球
双排
支承
Ø273
´16
650
62.2
1994
台州电厂二期
80.144
´82.5
正放
四角锥
螺栓球和焊接球
双排
支承
Ø219
´14
550
47
1996
石门电厂二期
75
´113.4
抽空正放四角锥
螺栓球
下弦
支承
Ø219
´20
Ø 300
51
1995
湘潭电厂B厂
75´52
正放
四角锥
焊接球
下弦
支承
Ø168
´12
Ø 400
34
1999
益阳电厂
75´108
正放
四角锥
螺栓球
下弦
支承
Ø180
´12
Ø 240
44

本工程
108´90
正放
四角锥
螺栓球
上弦
支承
Ø159
´10
Ø 260
44

二、构造形式和几何尺寸拟定
2．1 构造形式拟定
柱面网壳中使用网格形式普通有正放四角锥形式，正放斜置四角锥形式，抽空四角锥形式及桁架式等。桁架式网壳空间受力性能不佳，侧向稳定性差。正放斜置四角锥形式传力不直接，在两边开口处杆件内力集中。正放四角锥形式通过跨向弦杆将力直接传递到附近支座，传力途径直接明确。因而，本工程采用正放四角锥形式。
2．2          几何参数拟定
       鸭河口电厂干煤棚采用三心圆柱面网壳形式。三心圆柱面网壳有受力合理、构造刚度大、施工以便长处，并且可以充分运用室内空间，减少构造标高。

(a)总平面图                             (b)正立面图

?侧立面图
图1 干煤棚构造几何尺寸
       三心圆柱面网壳受力性能与体形有密切关系。决定三心圆柱面体形几何参数重要有[2]：跨向网格尺寸、跨向网格数、落地角（柱面圆弧在支座处切线与竖直面夹角）和网壳厚度等。这些几何参数变化导致网壳技术、经济指标有规律变化。当一种几何参数增大而其他参数不变时，各项技术、经济指标变化趋势如表2所示。
表2 几何参数对构造技术、经济指标影响

矢高
内力峰值
挠度
水平推力
用钢量
跨向网格尺寸a增大
增大
减小
减小
减小
增大
跨向网格数N增大
增大
减小
减小
减小
增大
落地角b增大
增大
减小
减小
增大
减小
网壳厚度h增大

减小
减小
增大
增大
       在煤棚构造设计中，斗轮机工作范畴是决定体形重要因素，研究表白[2]，构造内侧越接近斗轮机工艺界线，构造展开面积越小，其用钢量越省。
       依照参照文献2办法，对构造几何参数进行优化设计，最后拟定跨向网格尺寸为3.95米；跨向网格数为37格，其中大圆半径R=70.1389米，圆弧夹角61.32°，网格数为19格，小圆半径r=37.4996米，圆弧夹角54.34°，网格数为9格；落地角为5°；网壳厚度为3.5米。
2．3 支座位置选取
落地柱面网壳构造普通有三种支承方式：上弦节点支承、下弦节点支承和上下弦节点共同支承。表3所示为三种支承方式各项技术、经济指标比较。
上弦支承与下弦支承相比，内力峰值减少33%，杆件内力变化均匀，杆件重量减少6吨。采用双排支承也能获得比较好技术、经济性能。但是双排支承柱面网壳受力性能类似无铰拱，由于在支座处限制角位移，产生较大弯矩作用，并且对于支座侧向移动十分敏感，支座附近杆件和螺栓容易产生附加应力。依照计算，当支座产生50mm跨向水平逼迫位移时，支座附近杆件内力增大十分明显，并且浮现拉压杆变号。此外，双排支承增大了承台面积，增长基本工程造价。
因而，本工程中采用上弦节点支承。
表3 上弦支承和下弦支承构造技术、经济指标比较

杆件最大压力  (kN)
杆件最大拉力   (kN)
支座竖向力(kN)
支座水平力(kN)
杆件用钢量（t）
上弦支承
-710
608
810
516
357
下弦支承
-1065
601
807
449
363
双排支承
-1003
856
957.7
681.6
325
2．4 柱面网壳构造解决
在设计中支座沿纵向间隔布置，并将上弦纵向边界非支座节点及相连杆件去除，同步添加二根斜向上弦杆，如图2所示。

图2  抽空非支座上弦节点构造解决示意图
如此构造解决产生比较好效果，重要有如下三点：
（1）被抽空上弦节点处受力很小，相连杆件内力重要来自温度应力，数值很小，对网壳受力性能影响可以忽视不计。如果煤棚在使用过程中不对的堆煤导致对这些节点和杆件挤压，会产生不必要附加内力，对网壳受力性能产生负面影响，因此这些节点和杆件应去掉为好。

       （a）抽空非支座上弦节点                   (b)不抽空非支座上弦节点
图3 杆件内力图
（2）抽空节点上方添加两根上弦杆后，支座附近杆件内力更加均匀。将抽空节点和不抽空节点两种方案比较，如图3所示。通过比较发现，抽空节点后添加两根上弦杆分担了一某些力，减少了杆件内力峰值。不抽空时杆件内力最大值为687kN，抽空时最大值为382kN，峰值下降44%。
（3）抽空节点和杆件后既丰富了立面效果，又可以作为运送煤通道，并且可以减少网壳内表面风压值。
三、荷载分析和构造受力特性
3．1 风荷载体型系数分布
该煤棚构造体型巨大，风荷载是构造重要荷载。当前开口三心圆柱壳风载体型系数无现成规范可依，因此进行风洞实验以拟定体型系数。以往柱壳设计中，经常采用90°和30°水平风荷载下体型系数作为设计根据。但通过风洞实验数据分析，表白在不同水平风向角作用下构造受力状况有较大差别，构造反弯点位置有较大不同。并且，在有向下倾角风荷载作用下，与水平风荷载相比，构造受力往往更加不利。与以上两个参数相比，有无堆煤对构造影响不大。为了更加真实反映构造在风荷载作用下实际受力状况，通过数据分析、归纳后，在设计中可采用四种不同风荷载体型系数。体型系数区域划分见图4，相应体型系数见表4。
                                               图4 体形系数区域划分
表4 风荷载体型系数
风荷载与构造夹角
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
a
b
c
a
b
c
a
b
c
a
b
c
a
b
c
90°
1.1
0.5
-0.6
-0.3
-0.2
75°、60°
1.2
1.2
0.9
0.5
0.1
-0.1
-0.5
-0.7
-0.5
-1.2
-1.1
-0.6
-1.5
-1.0
-0.5
45°、30°
1.0
0.8
0.5
0.7
0.4
0.2
-0.2
-0.4
-0.4
-1.4
-0.9
-0.5
-1.4
-0.8
-0.4
15°
0.9
0.5
0.3
0.8
0.4
0.2
0.6
0.2
0.1
-0.5
-0.1
0.1
-0.7
-0.2
-0.1
3．2 构造受力特性
       由于构造两边支承两边开口，因此呈现单向受力状态。网壳跨向杆件内力较大，而纵向杆件内力较小。图5、6分别是构造在竖向荷载作用下和90°夹角风荷载作用下内力变形图。

         (a)上弦内力图                 (b)下弦内力图               ?构造变形图
图5 竖向荷载作用下构造内力变形图

         (a)上弦内力图                (b)下弦内力图                 ?构造变形图
图6 风荷载作用下构造内力变形图
图7所示为构造在不同风向角风荷载作用下上弦平面杆件内力分布展开图，图8所示为上弦平面节点位移展开图。通过内力和位移比较可以看出，在不同风向角风荷载作用下，构造内力分布和位移有很大差别，杆件在某些工况下受拉，在此外工况下受压，每种工况都控制一批杆件最大内力。因此，只考虑一种风荷载方向进行设计办法不够全面。

         (a)90°               (b)75°和60°            ?45°和30°                (d)15°
图7 不同风向角风荷载作用下上弦平面杆件内力分布展开图

         (a)90°                (b)75°和60°            ?45°和30°               (d)15°
图8 不同风向角风荷载作用下上弦平面节点位移展开图
四、干煤棚网壳设计、施工和使用中存在问题及改进技术办法
4．1 干煤棚网壳设计、施工和使用中存在问题
（1）煤棚构造存在大面积堆载问题。由于大面积堆载，容易导致网壳支座沉降和向外滑移，由此产生附加内力，对支座附近节点和杆件有一定影响。
（2）煤棚构造存在比较严重锈蚀问题。煤中具有大量腐蚀性物质，钢材与这些腐蚀介质发生电化学反映，产生锈蚀（图9）。
（3）以往建成使用煤棚构造内时有发生煤堆压住网壳节点和杆件现象，导致杆件附加内力，并且会加重构件锈蚀限度（图10）。
（4）高强螺栓是按照轴心受拉构件设计，但是在支座附近会产生较大附加弯矩和附加内力，螺栓在受拉同步，还也许承受比较可观弯矩和剪力。在以往工程事故中，螺栓破坏形式重要是剪断（图11）。

   图9 节点和杆件锈蚀破坏                 

图10干煤棚不正常堆煤现象

螺栓破坏形式重要是剪断（图11）
4．  2 影响构造安全性最不利区域
通过计算表白，支座附近杆件和节点是十分重要，荷载都通过这些构件传递到支座上。同步，支座附近容易由于煤压、锈蚀、支座沉降等因素产生损伤。因此，可以以为支座附近为构造敏感区域，是影响构造安全性最不利位置，在设计时需要特别注重。
4．3 改进技术办法
（1）为了减小支座沉降和侧移对于柱面网壳影响，宜采用单排支承。
（2）为了从主线上保证煤棚安全使用，建议设立挡煤墙，使煤堆和网壳隔离。             图11 高强螺栓剪断破坏
（3）鉴于煤棚构造中突出锈蚀问题，可采用热浸锌防腐办法，浸镀厚度≥50µm。普通状况下可以保证防腐能力达到以上。
（4）为了保证构造足够安全度，设计时将支座向上三排网格腹杆和跨向弦杆应力控制在比较低水平（可取材料设计强度0.8倍），同步应恰当调高与这些杆件相连高强螺栓强度级别。
（5）风荷载是本工程中重要荷载。由于风向角、风力及堆煤状况变化，风荷载具备随机不拟定特点，导致构造受力状况复杂。因此进行风洞实验拟定体型系数是非常必要。
（6）网架规程中规定压杆容许长细比为180，普通拉杆容许长细比为400，支座附近处为300。考虑到荷载工况多，构造受力复杂，反弯点位置不拟定，杆件会浮现拉压变化，设计时采用容许长细比为压杆180，拉杆200。