某三心圓柱面大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

吳曉龍 張 淵 周福青 徐 欣 王玲玲

(1.北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京 100043; 2.北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司工程總承包二部，北京 100124)

1 概述

隨著環(huán)保要求日益提高，傳統(tǒng)的防風(fēng)抑塵網(wǎng)已經(jīng)達(dá)不到最新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，因此為適應(yīng)新形勢(shì)下對(duì)大氣污染物控制日益提高的要求，并本著建設(shè)綠色環(huán)保型電廠的精神，首鋼京唐公司能源部對(duì)煤料場(chǎng)進(jìn)行封閉改造，以滿足環(huán)保的要求。當(dāng)跨度較大(大于60 m)且中部無法設(shè)置立柱時(shí)，平板網(wǎng)架及門式剛架已經(jīng)不能滿足其功能要求，三心圓柱面雙層網(wǎng)殼完美的解決了這一問題。

文中主要根據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合工程實(shí)例，介紹三心圓柱面大跨度網(wǎng)殼設(shè)計(jì)過程。此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)回訪，對(duì)大跨度網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)、支座、檁條等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 大跨度網(wǎng)殼設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)選型

在確定網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的類型時(shí)應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的受力性能和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)構(gòu)受力性能與結(jié)構(gòu)的平面形狀尺寸、結(jié)構(gòu)的矢高、曲面形式、網(wǎng)格形式、邊界支承條件等因素有關(guān)[1]。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足形式簡(jiǎn)潔，傳力路徑均勻、明確以及功能要求。根據(jù)斗輪機(jī)工作范圍、料條堆放位置、周邊建筑物位置及業(yè)主要求，最終確定該煤棚結(jié)構(gòu)跨度為136 m(投影跨度143.47 m)，縱向長(zhǎng)283 m(投影長(zhǎng)度287.94 m)，中部設(shè)置一道伸縮縫，兩側(cè)山墻封閉，建筑投影面積41 310.8 m2，其剖面如圖1所示，網(wǎng)殼采用正放四棱錐三心圓柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，下弦桿多點(diǎn)支承，網(wǎng)格尺寸為4.94 m×4.94 m，網(wǎng)殼厚度為4.0 m，網(wǎng)殼高44.486 m，天窗高度3.92 m，三維模型如圖2所示。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程采用MST2016企業(yè)版軟件計(jì)算，網(wǎng)殼計(jì)算模型為空間鉸接桿系結(jié)構(gòu)，因此荷載必須作用在網(wǎng)殼球節(jié)點(diǎn)上，桿中不得作用任何荷載。

1)材料：鋼管選用GB/T 700中的Q345B，高強(qiáng)度螺栓選用GB 3077中的40Cr或20MnTiB，螺栓球選用GB 699中45號(hào)鋼，焊接球選用Q345B。

2)長(zhǎng)細(xì)比：一般桿件受壓長(zhǎng)細(xì)比取180，受拉長(zhǎng)細(xì)比取250；臨近支座處關(guān)鍵桿件受壓長(zhǎng)細(xì)比取150，受拉長(zhǎng)細(xì)比取200[2]；關(guān)鍵桿件的地震組合內(nèi)力設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以增大系數(shù)，7度時(shí)宜按1.1采用[3]。

3)應(yīng)力比：考慮到桿件制作安裝誤差，支座沉降等誤差影響，桿件應(yīng)力比限值取0.90，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為283.5 kN/m2。

4)荷載工況：設(shè)計(jì)煤棚網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)時(shí)主要考慮以下工況：恒荷載(屋面主、次檁條及壓型鋼板)0.25 kN/m2；活荷載[4]0.30 kN/m2；基本雪壓0.40 kN/m2，雪荷載與活荷載取大值計(jì)算，并考慮半跨荷載布置情況；基本風(fēng)壓0.45 kN/m2，根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果取值；檢修馬道處(含照明及消防水泡)下弦節(jié)點(diǎn)荷載3.0 kN；溫度荷載±30 ℃，要求合龍溫度在15 ℃±3 ℃之間；地震作用，根據(jù)地勘報(bào)告，煤棚所在區(qū)域抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，場(chǎng)地地震分組為第一組，場(chǎng)地土類別為Ⅲ類，特征周期為0.45 s，多遇地震計(jì)算時(shí)采用振型分解反應(yīng)譜法，取前100階振型進(jìn)行計(jì)算。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

采用MST軟件參數(shù)化建模并進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化計(jì)算，為保證桿件剛度的連續(xù)性，調(diào)整弦桿使得其受力方向相鄰桿件截面面積不宜超過1.8倍[2]。最后確定桿件規(guī)格由φ75.5×3.5～φ219×16共15種。研究表明，減小用鋼量較大桿件的極差可減小鋼結(jié)構(gòu)主體用鋼量。

根據(jù)計(jì)算，所有桿件應(yīng)力比均在0.9以內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。桿件最大軸力為2 281.3 kN，位于伸縮縫邊緣，由于伸縮縫邊緣處桿件缺乏山墻約束，類似于三邊簡(jiǎn)支、一邊自由的板塊，且網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中部受到的風(fēng)吸力較大，導(dǎo)致端部桿件產(chǎn)生較大內(nèi)力。恒活荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，結(jié)構(gòu)最大撓度為247 mm(1/551<1/250)，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移為212 mm(1/210<1/150)，均滿足剛度要求。采用MIDAS軟件對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，按彈性全過程計(jì)算不同工況下網(wǎng)殼極限承載力穩(wěn)定系數(shù)，其中最小值為7.7，大于安全系數(shù)4.2，滿足穩(wěn)定性要求[2]。

此外，采用MIDAS軟件對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下彈塑性時(shí)程分析作為補(bǔ)充計(jì)算，分析結(jié)構(gòu)的抗震性能。模型中桁架單元采用塑性鉸模型，考慮桿件受拉和受壓屈曲及屈曲后的強(qiáng)度退化。根據(jù)抗震規(guī)范要求，選取三條Ⅲ類場(chǎng)地地震波進(jìn)行分析，地震加速度最大時(shí)程為310 cm/s2，按縱向∶橫向∶豎向=1∶0.85∶0.65的比例輸入，取前20 s地震波進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算表明，塑性鉸分布于結(jié)構(gòu)伸縮縫端部，以及網(wǎng)殼上端兩側(cè)部位，主要集中于腹桿，山墻以及網(wǎng)殼上下弦桿均未出現(xiàn)塑性鉸，且塑性鉸集中部位產(chǎn)生較大相對(duì)位移，這是由于腹桿受壓屈曲所引起上下弦桿件之間的相對(duì)變位。塑性鉸分布如圖3所示，結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生變形，未發(fā)生大面積塌陷，整體仍保持穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)“大震不倒”要求。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)量統(tǒng)計(jì)

網(wǎng)殼桿件與節(jié)點(diǎn)理論用鋼量約2 252.54 t，按其覆蓋面積41 310.8 m2，每平方米用鋼量為54.53 kg。結(jié)構(gòu)竣工圖如圖4所示。

3 大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 溫度應(yīng)力優(yōu)化分析

本工程各網(wǎng)殼單元縱向長(zhǎng)度接近150 m，溫度變化較大時(shí)，由于熱脹冷縮效應(yīng)，桿件長(zhǎng)度變化的積累使得網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的整體變形，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)支座反力增大，桿件內(nèi)力增大，結(jié)構(gòu)用鋼量增加。

在不影響網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的情況下，通過刪除支座處桿件，分為三種方案：1)原結(jié)構(gòu)：未刪除下弦桿；2)方案一：刪除下弦桿；3)方案二：刪除下弦桿+腹桿，如圖5所示。分析表明，在溫度變化30 ℃的情況下，原結(jié)構(gòu)支座處的反力(縱向)及下弦桿內(nèi)力均大于方案一與方案二，且從中部支座向兩端支座逐漸增大，最大可達(dá)到2.56倍(312 kN/122 kN)。此外，由于桿件減少，溫度應(yīng)力得到釋放，同時(shí)改善支座受力，方案一用鋼量小于原結(jié)構(gòu)；方案二中繼續(xù)刪除的腹桿為零桿，不影響結(jié)構(gòu)受力，進(jìn)一步減少了結(jié)構(gòu)用鋼量。可見網(wǎng)殼縱向長(zhǎng)度越大，溫度變化對(duì)支座反力及縱向桿件內(nèi)力的影響越不可忽略。

3.2 支座優(yōu)化分析

網(wǎng)殼支座一般由鋼結(jié)構(gòu)廠家制作，批量運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，其做法一般如圖6a)所示。錨栓突出混凝土表面，不利于成品支座安裝及滑移法施工，影響施工進(jìn)度及方案。

針對(duì)上述問題，對(duì)支座節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，如圖6b)所示，支座優(yōu)化節(jié)點(diǎn)不使用錨栓及底板，將加勁板直接焊于預(yù)埋件上，采用剖口焊縫。通過設(shè)計(jì)預(yù)埋件尺寸、厚度及錨筋的數(shù)量和直徑，算得預(yù)埋件下混凝土的局部受壓應(yīng)力及加勁肋應(yīng)力，均未超過其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。該方法不僅簡(jiǎn)化了施工工藝，而且減少了結(jié)構(gòu)用鋼量。

3.3 伸縮縫處節(jié)點(diǎn)優(yōu)化分析

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)縱向長(zhǎng)度較大時(shí)，需設(shè)置多道伸縮縫。分析表明，增大伸縮縫間距，網(wǎng)殼主體鋼結(jié)構(gòu)覆蓋面減小，可減少主體結(jié)構(gòu)的用鋼量，但是增大伸縮縫距離會(huì)導(dǎo)致位于下弦桿的縱向檢修馬道懸挑距離較長(zhǎng)而導(dǎo)致無法連接，檢修人員無法通過。本文對(duì)伸縮縫馬道處網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖7所示，通過局部增設(shè)下弦桿件及腹桿，網(wǎng)殼可設(shè)置縱向貫通的檢修走道；同時(shí)，伸縮縫處檁條節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，如圖8所示，將伸縮縫處檁條制作成可沿縱向滑動(dòng)的檁條，根據(jù)線膨脹公式計(jì)算出檁托板上溜槽寬度。該做法不僅可以固定檁條，也可以適應(yīng)網(wǎng)殼由于溫度變化所產(chǎn)生的變形，減少主體結(jié)構(gòu)的用鋼量。

4 結(jié)論與建議

本文按照規(guī)范要求，借助有限元軟件，結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)大跨度三心圓網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化，得出以下結(jié)論：罕遇地震作用下，大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部變形，但整體滿足“大震不倒”要求；建議刪除支座處水平系桿，該做法可釋放桿件溫度應(yīng)力，可大幅度減小支座反力，使得結(jié)構(gòu)受力更為合理；優(yōu)化支座節(jié)點(diǎn)可簡(jiǎn)化施工工藝；通過增大伸縮縫間距，局部增設(shè)弦桿，將伸縮縫處檁條設(shè)置為縱向可滑動(dòng)檁條，可減少網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)主體用鋼量。