支座沉降對水泥工廠預均化庫網(wǎng)殼性能的影響

新型干法水泥生產(chǎn)技術采用預均化庫完成原料的預均化過程，隨著水泥生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，水泥工廠預均化庫的跨度日趨增大，目前圓形和矩形平面預均化庫的跨度已分別達到96 m和60 m，使得預均化庫屋蓋網(wǎng)殼成為水泥工廠建設的重點工程之一，因此，如何在常規(guī)荷載效應分析的基礎上，考慮地基不均勻沉降等特殊作用對預均化庫屋蓋網(wǎng)殼結構的影響，是保證水泥工程建設安全性的重要課題。

本文針對水泥工廠預均化庫工程，以跨度86 m的雙層球面網(wǎng)殼和跨度60 m的雙層柱面網(wǎng)殼為例，采用通用有限元分析軟件ANSYS建立預均化庫屋蓋網(wǎng)殼整體分析模型，分析支座不均勻沉降對網(wǎng)殼結構性能的影響。參照GB 50007-2002建筑地基基礎設計規(guī)范［1］，取相鄰網(wǎng)殼支座沉降差允許值為0．003L，L為相鄰網(wǎng)殼支座間距。雙層球面網(wǎng)殼相鄰支座間距為8 443 mm，近似取沉降差允許值為25 mm，而雙層柱面網(wǎng)殼相鄰支座間距為6 000 mm，其沉降差允許值為18 mm。

1 支座不均勻沉降對雙層球面網(wǎng)殼結構性能影響分析

1．1 網(wǎng)殼結構概況

雙層球面落地網(wǎng)殼跨度86 m(如圖1所示)，其結構形式為角錐形雙層球面網(wǎng)殼，共設置32個支座。根據(jù)JGJ 7-2010空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程［2］，球面網(wǎng)殼的矢跨比不宜小于1/7，雙層球面網(wǎng)殼的厚度可取跨度(平面直徑)的1/30～1/60的相關規(guī)定，網(wǎng)殼球面部分下弦矢高取20．25 m，矢跨比約為1/4，網(wǎng)殼厚度取2 m。網(wǎng)殼桿件截面規(guī)格見表1。

圖1 雙層球面網(wǎng)殼三維示意圖

表1 雙層球面網(wǎng)殼桿件截面規(guī)格 mm

1．2 支座不均勻沉降的影響

對于雙層球面網(wǎng)殼，考慮地基發(fā)生沉降的范圍為連續(xù)五個支座，發(fā)生沉降位置如圖1所示。參照GB 50007-2002建筑地基基礎設計規(guī)范要求沉降量允許值25 mm，將支座不均勻沉降量分為10 mm和25 mm兩種情況。首先針對雙層球面網(wǎng)殼連續(xù)五個支座沉降10 mm的情況，采用通用有限元分析軟件ANSYS［3］對支座不均勻沉降引起的結構內(nèi)力進行分析，從網(wǎng)殼桿件應力圖可以看出桿件軸向應力較大的位置集中于發(fā)生沉降與未發(fā)生沉降的相鄰兩支座之間，桿件的最大軸向應力已超過60 MPa。在考慮壓桿穩(wěn)定后，將連續(xù)五個支座沉降引起的內(nèi)力與豎向荷載作用組合得出桿件軸應力，超過設計應力(215 MPa)的桿件位置及相應的軸應力值如圖2a)所示，可以看出不滿足設計要求的桿件主要集中在發(fā)生沉降與未發(fā)生沉降的相鄰支座之間，個別桿件軸應力已超過300 MPa。沉降量增大到25 mm引起超過設計應力的桿件位置及相應的軸應力值如圖2b)所示，可以看出由于沉降量的增加，軸應力超過設計應力的桿件數(shù)量明顯增加，并由發(fā)生沉降與未發(fā)生沉降的相鄰支座之間向周圍區(qū)域擴展，最大軸應力值達到甚至接近設計應力的3倍。

2 支座不均勻沉降對雙層柱面網(wǎng)殼結構性能影響分析

2．1 網(wǎng)殼結構概況

雙層柱面網(wǎng)殼跨度為60 m，結構形式為正放抽空四角錐雙層柱面網(wǎng)殼，如圖3所示。其下弦矢高為30 m，縱向總長度為123 m，網(wǎng)殼厚度為2 m，滿足JGJ 7-2010空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程中，沿兩縱向邊支承的圓柱面網(wǎng)殼的矢跨比1/2～1/5，厚度可取寬度1/20～1/50的規(guī)定。柱面網(wǎng)殼桿件截面情況如表2所示。

2．2 支座不均勻沉降的影響

對于雙層柱面網(wǎng)殼，考慮連續(xù)五個中間跨支座發(fā)生沉降，如圖3所示。并且參照GB 50007-2002建筑地基基礎設計規(guī)范要求的沉降量允許值18 mm，將支座不均勻沉降量分為10 mm和18 mm兩種情況。

圖2 連續(xù)五個支座沉降引起桿件超設計應力情況（單位：MPa）

圖3 雙層柱面網(wǎng)殼三維示意圖

雙層柱面網(wǎng)殼連續(xù)五個邊跨支座同時發(fā)生10 mm沉降，桿件軸向應力較大的位置同樣集中于發(fā)生沉降與未發(fā)生沉降的相鄰兩支座之間，桿件的最大軸向應力已超過96 MPa。

表2 雙層柱面網(wǎng)殼桿件截面規(guī)格 mm

圖4 連續(xù)五個邊跨支座沉降引起桿件超設計應力情況（單位：MPa）

在考慮壓桿穩(wěn)定后，將連續(xù)五個支座沉降引起的內(nèi)力與豎向荷載作用組合得出桿件軸應力，超過設計應力(215 MPa)的桿件位置及相應的軸應力值如圖4所示，與雙層球面網(wǎng)殼連續(xù)五個支座同時發(fā)生10 mm沉降類似，但桿件最大軸應力明顯增加。當沉降量增大到18 mm時超設計應力的桿件分布與雙層球面網(wǎng)殼沉降量為25 mm時規(guī)律相似，且桿件最大軸應力明顯加大，已超過設計應力的3倍。

另外，當雙層柱面網(wǎng)殼一側的支座同時發(fā)生沉降時，由于雙層柱面網(wǎng)殼的機動性，即使在沉降量相對較大的情況下，對網(wǎng)殼桿件內(nèi)力影響也很小，故在雙層柱面網(wǎng)殼半跨支座發(fā)生沉降時對桿件內(nèi)力的影響可以忽略不計。

3 結論及建議

對于雙層球面網(wǎng)殼在支座發(fā)生較小沉降時，由于支座沉降而發(fā)生軸應力超設計應力的桿件主要分布在發(fā)生沉降與未發(fā)生沉降的相鄰兩支座之間，隨著沉降量的增大，軸應力超設計應力的桿件分布會向周圍擴展且最大軸應力值明顯增大。對于雙層柱面網(wǎng)殼情況與雙層球面網(wǎng)殼類似，但與雙層球面網(wǎng)殼相比，超設計應力桿件的最大軸應力值較大。當雙層柱面網(wǎng)殼沿縱向長度方向一側所有支座同時發(fā)生相對較大沉降時，對桿件內(nèi)力影響很小，可以忽略不計。建議當?shù)鼗鶙l件復雜的情況下，對支座附近桿件做適當加強，避免由于支座不均勻沉降對結構性能造成的影響。

［1］GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規(guī)范［S］．

［2］JGJ 7-2010，空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程［S］．

［3］Release 11．0 Documentation for ANSYS［Z］．2008．