重慶合川雙槐電廠干煤棚網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

□□ ，

(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039)

引言

重慶合川雙槐電廠一期工程2×300 MW機(jī)組位于重慶市合川市境內(nèi)的渭溪鎮(zhèn)、小沔鎮(zhèn)之間，在合川市東北34 km處。主廠房零米海拔高度(+黃海高程)320～330 m。

合川電廠干煤棚內(nèi)設(shè)置斗輪取料機(jī)1臺(tái)，伸臂長(zhǎng)30 m，煤場(chǎng)堆煤高度為12.6 m。為了滿足工藝要求，該網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為70 m，內(nèi)凈跨度80 m，內(nèi)凈矢高要求≮28.25 m。本文就該電廠大跨度干煤棚網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作一介紹，并對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方案比較，對(duì)大跨網(wǎng)殼支座設(shè)計(jì)及施工方法進(jìn)行分析，供參考。

1 結(jié)構(gòu)選型

該工程結(jié)構(gòu)平面為長(zhǎng)度70 m，跨度80 m，長(zhǎng)跨比1∶1.14，平面接近正方形，有利于結(jié)構(gòu)的空間協(xié)調(diào)受力。通過計(jì)算對(duì)比，選用矢高較大的雙層柱面網(wǎng)殼比選用傳統(tǒng)的平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式更合理、經(jīng)濟(jì)。此外，曲面形對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能和經(jīng)濟(jì)性(耗鋼量)都有較大影響。該工程原可以采用圓柱面或三心圓柱面網(wǎng)殼形式，但是，就二者比較而言，三心圓柱面網(wǎng)殼可以在很大程度上提高建筑空間利用率，若采用三心圓柱面網(wǎng)殼，則結(jié)構(gòu)頂部標(biāo)高為24.80 m就可以滿足作業(yè)空間的要求。若采用圓柱面網(wǎng)殼，當(dāng)結(jié)構(gòu)頂部標(biāo)高為24.80 m時(shí)，結(jié)構(gòu)下弦位于工藝界線以內(nèi)，影響斗輪機(jī)作業(yè)，若使其滿足作業(yè)空間的要求，其結(jié)構(gòu)頂部標(biāo)高必須提高30%以上。所以，該工程采用三心圓柱網(wǎng)殼(大小圓半徑分別為77.30 m和16.50 m)，這樣不僅滿足了使用要求，還有利于減小支座處的水平推力。同時(shí)結(jié)構(gòu)表面積最小，可以減少屋面板用量，達(dá)到節(jié)省工程總造價(jià)的目的。干煤棚的橫截面如圖1所示。

圖1 干煤棚立面示意圖

由于工藝上要求干煤棚縱向兩端開口，對(duì)于跨度較大的兩端開口的三心圓柱面網(wǎng)殼，為了滿足結(jié)構(gòu)整體剛度的要求，一般采用四角錐柱面網(wǎng)殼，其布置有3種形式：斜放四角錐柱面網(wǎng)殼、正交斜置四角錐柱面網(wǎng)殼、正放四角錐柱面網(wǎng)殼。這3種形式的四角錐柱面網(wǎng)殼在大跨度干煤棚網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中均有應(yīng)用。由于該工程考慮到施工和受力性能等因素，干煤棚縱向長(zhǎng)度相對(duì)于橫向跨度偏小，為了增加結(jié)構(gòu)的整體縱向剛度，將結(jié)構(gòu)連成整體，使其共同工作，網(wǎng)殼基本單元采用了受力均勻且空間剛度較大的正放四角錐形式，如果采用斜放四角錐柱面網(wǎng)殼或正交斜置四角錐柱面網(wǎng)殼，結(jié)構(gòu)傳力將相對(duì)向兩端四個(gè)角部集中，結(jié)構(gòu)的兩端將產(chǎn)生較大的支座反力，由此，相應(yīng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的端部應(yīng)采取加強(qiáng)措施。這將給結(jié)構(gòu)共同工作及網(wǎng)殼支座和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的處理帶來(lái)困難。

網(wǎng)格尺寸是根據(jù)網(wǎng)殼厚度，結(jié)合類似工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì)，經(jīng)分析比較，縱向上弦桿尺寸為3.2 m、橫向上弦桿尺寸為3.05 m是比較合理、經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)格尺寸。

另外，結(jié)構(gòu)的支承條件特別是結(jié)構(gòu)剛度與支承剛度之間的關(guān)系，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能也有較大影響。該工程采用落地式支承和彈性支座，這樣在滿足支承剛度的同時(shí)，也降低了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對(duì)支座的水平推力，并且有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

2 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

2.1 荷載類型

干煤棚承受的主要荷載有靜荷載、活荷載。由于該干煤棚對(duì)溫度變化采取以抗為主，因此，在結(jié)構(gòu)計(jì)算中尚應(yīng)考慮溫度作用。該工程地震基本烈度為6度，根據(jù)JGJ 7—91《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》，在網(wǎng)殼分析計(jì)算時(shí)可不考慮地震作用，但設(shè)計(jì)時(shí)需考慮抗震構(gòu)造。綜上所述，本干煤棚考慮的荷載參數(shù)如下：

(1)靜荷載：上弦靜荷載為0.30 kN/m2，下弦為0.15 kN/m2，網(wǎng)殼自重由計(jì)算程序(MST2005)自動(dòng)加入到網(wǎng)殼各節(jié)點(diǎn)上。

(2)活荷載：屋面活荷載為0.35 kN/m2。

(3)溫度作用：根據(jù)該工程所在地溫度變化歷史，該工程考慮溫差為+20℃～-30℃。

(4)風(fēng)荷載：當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓為0.4 kN/m2，風(fēng)載體型系數(shù)根據(jù)類似工程風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果。

2.2 荷載組合

該工程在結(jié)構(gòu)分析計(jì)算中采用的荷載效應(yīng)組合如下：

(1)靜荷載+活荷載。

(2)靜荷載+半跨活荷載。

(3)靜荷載+風(fēng)荷載1(0°風(fēng)向)。

(4)靜荷載+風(fēng)荷載2(30°風(fēng)向)。

(5)靜荷載+活荷載+風(fēng)荷載。

(6)靜荷載+活荷載+溫度作用。

風(fēng)荷載簡(jiǎn)圖見圖2，風(fēng)荷載體型系數(shù)取值見表1。

圖2 風(fēng)荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.3 結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

該工程的結(jié)構(gòu)分析采用浙江大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心編制的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件MSTCAD進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。為了達(dá)到最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]對(duì)網(wǎng)殼高度進(jìn)行優(yōu)化分析，最后選定網(wǎng)殼高度為2.5 m。對(duì)網(wǎng)殼支承條件的選取，在結(jié)構(gòu)分析時(shí)也進(jìn)行了分析比較，通過網(wǎng)殼支座為兩端固定鉸支座，一端固定鉸支座、一端彈性支座，對(duì)兩端彈性支座3種支座情況對(duì)應(yīng)的上弦對(duì)邊支承，下弦對(duì)邊

表1 風(fēng)荷載體型系數(shù)取值1)

支承2種支承位置下網(wǎng)殼的分析比較可知，與固定約束相比，彈性約束有利于降低支座的水平力和網(wǎng)殼用鋼量，但是對(duì)控制跨中豎直位移具有不利影響；對(duì)于網(wǎng)殼支承位置，設(shè)置在上弦比下弦有利。

該工程由于下部支座比較高(高出水平地面6 m)，又要承受較大的水平推力，如果采用兩端固定鉸支座，水平推力將達(dá)到384.5 kN，這對(duì)下部結(jié)構(gòu)十分不利。本網(wǎng)殼下部支承于鋼筋混凝土基礎(chǔ)擋土墻頂部，采用彈性剛度的支座約束條件，釋放部分水平推力，此外，支座豎向力對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的彎矩與煤堆水平推力對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的彎矩異向，這樣可以大大降低下部結(jié)構(gòu)的整體受力。

2.4 結(jié)構(gòu)靜力特性

為了設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)，必須要了解該位移結(jié)構(gòu)的靜力特性，即不同荷載作用下的內(nèi)力分布特點(diǎn)，力流、邊界條件對(duì)內(nèi)力和位移的影響以及主要承力構(gòu)件的內(nèi)力。在這個(gè)柱面網(wǎng)架中均布的靜載、活載及風(fēng)荷載是主要荷載。在均布的靜、活載作用下，結(jié)構(gòu)受力與門式剛架受力性能比較類似，兩邊小圓拱類似門式剛架柱，中間大圓拱類似門式剛架梁，因此加強(qiáng)支座、大小圓弧相接部位桿件及對(duì)應(yīng)位置縱向桿件是結(jié)構(gòu)的空間受力及穩(wěn)定性的必要條件。

2.5 網(wǎng)殼計(jì)算結(jié)果與參數(shù)

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)分析，該工程網(wǎng)殼設(shè)計(jì)有關(guān)基本參數(shù)如下：網(wǎng)格尺寸：3.20 m×3.05 m，網(wǎng)殼厚度2.50 m；網(wǎng)殼桿件規(guī)格：Φ60 mm～Φ180 mm等10種管徑；外徑≤140 mm時(shí)，采用高頻電焊管或無(wú)縫鋼管，外徑>140 mm時(shí)，采用無(wú)縫鋼管。網(wǎng)殼采用螺栓球節(jié)點(diǎn)，規(guī)格有：BS120，BS140，BS160，BS180，BS200，BS220，網(wǎng)殼支座球均選用BS220。

該工程網(wǎng)殼主要計(jì)算結(jié)果如下：桿件最大拉力670 kN，最大壓力622 kN；節(jié)點(diǎn)最大豎向位移204 mm；最大豎向支座反力：壓力為401.7 kN，拉力為277 kN，最大水平支座推力為296 kN。

2.6 支座設(shè)計(jì)與處理

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的邊界約束可分為自由、彈性、固定及強(qiáng)迫位移4種，而邊界條件的確定應(yīng)與支座構(gòu)造和下部支撐結(jié)構(gòu)相一致。對(duì)于大跨網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最重要的是邊界條件的處理，即支座設(shè)計(jì)。工程計(jì)算模型的建立和邊界條件的假定是否與工程實(shí)際情況一致，在設(shè)計(jì)中起著決定性作用。換言之，實(shí)際工程中支座設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)必須與理論假設(shè)相符。

(1)

(2)

(3)

該工程由于支座安放在下部混凝土基礎(chǔ)上(連續(xù)擋墻)，所以可假定支承結(jié)構(gòu)Kzl=Knl=Ksl=∞，則橡膠墊板與支承結(jié)構(gòu)的組合剛度為：

=2.9(kN/mm)

通過計(jì)算橡膠支座節(jié)點(diǎn)在此剛度下由屋面的標(biāo)準(zhǔn)恒載及活載引起的最大支座反力為Rmax=250 kN。根據(jù)JGJ 61—2003《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，取允許抗壓強(qiáng)度[σ]=8.8 MPa，剪切模量G=1.1 MPa，支座節(jié)點(diǎn)在溫度變化等因素作用下所引起的最大水平位移u=40 mm，現(xiàn)對(duì)橡膠支座墊板進(jìn)行校核。

2.6.1 橡膠墊板平面尺寸校核

因滿足A≤Ae，故符合要求。

2.6.2 橡膠墊板厚度校核

中間橡膠片厚度di=11 mm，上表層、下表層橡膠片厚度dt=2.5 mm，中間鋼板厚度ds=2 mm。根據(jù)構(gòu)造要求，d0=60 mm，0.2a=0.2×400=80(mm)，滿足d0≤0.2a，故符合要求；根據(jù)剪切變位條件要求d0=60 mm，1.43u=1.43×40=57.2(mm)，滿足d0≥1.43u，故符合要求。

2.6.3 平均壓縮變位校核

=1.62×10-4(m)=0.162(mm)

0.05d0=0.05×60=3(mm)

因滿足ωm≤0.05d0，故符合要求。

2.6.4 抗滑移校核

永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值引起的支座反力為218 kN，則：Rg=0.9×218=196.2(kN)；橡膠墊板與埋板(鋼板)間的摩擦系數(shù)μ=0.2。

μRg=0.2×196.2=39.24

因μRg≥GAe，故符合要求。

在該工程中，支座最大垂直壓力為401.7 kN，支座最大垂直拉力為277 kN，最大水平推力為296 kN，設(shè)計(jì)中采用板式橡膠拉力支座。板式橡膠拉力支座是由多層橡膠和薄鋼板粘合而成的，具有一定的剛度和彈性。它除了能把上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的垂直集中拉壓力傳給下部結(jié)構(gòu)外，而且還能產(chǎn)生一定的水平位移和轉(zhuǎn)角，與計(jì)算模型中對(duì)邊界條件的假定比較相符。

3 結(jié)論

3.1 干煤棚網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸和邊界約束假定，對(duì)于干煤棚的使用功能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和受力性能具有重要的影響，三心柱面雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是大跨干煤棚的一種合理結(jié)構(gòu)形式。

3.2 在干煤棚網(wǎng)殼的設(shè)計(jì)中，風(fēng)荷載的影響所占比重很大，風(fēng)載體形系數(shù)應(yīng)根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)或類似工程的試驗(yàn)結(jié)果選用，以提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全度和合理性。

3.3 在干煤棚網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中，彈性支座的使用可以有效釋放由于溫度作用產(chǎn)生的水平力，大大降低水平力對(duì)下部結(jié)構(gòu)的不利影響。

3.4 橡膠彈性支座的彈性和剛度對(duì)網(wǎng)殼桿件內(nèi)力有明顯的影響，因此在網(wǎng)殼設(shè)計(jì)中支座彈性剛度值的確定顯得尤其重要，它將直接影響到網(wǎng)殼設(shè)計(jì)是否合理、安全、經(jīng)濟(jì)。

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