大跨度干煤棚的设计

张福明

(攀枝花攀钢集团设计研究院有限公司，四川 攀枝花 617023)

四川旺苍地处广旺煤田的核心区，境内煤炭资源储量近4亿吨，攀成钢旺苍60万吨焦化项目，预计投资7.8亿元。该项目需建设一座114 m跨、外挑3.6 m、长95 m的干煤棚，柱距为19 m，柱顶标高为21 m，总建筑面积为11514 m2(图1)。

图1 干煤棚建筑

1 结构体系的确定

1.1 该地区主要设计参数2

基本风压:0.35 kN/m;屋面积灰荷载、屋面活荷载:0.30 kN/m2;该厂房抗震设防烈度:6度;设计基本地震加速度0.05g;设计地震分组:第一组;建筑物场地土类别:Ⅱ类。

1.2 屋盖系统

国内跨度大于100 m的建筑物较多，一般采用三种结构体系:分别为空间网架结构、空间网壳结构、单片桁架结构。但空间网架、网壳结构计算较为复杂，受温度变化、支座沉降、焊接残余应力及施工安装影响较单片桁架为大，同时加工工艺要求比较高;单片桁架施工过程中自身稳定问题较为严重，施工措施费用很高。空间钢管桁架体系除了解决使用时的稳定问题外，还主要解决施工过程中的稳定、安装问题，降低施工措施费及安装难度，对施工单位技术力量的要求相对与以上三种结构较为宽松，所以，屋盖系统采用巨型空间钢管桁架结构体系(图2)。

图2 钢管桁架屋架

1.3 柱系统

对应于空间钢管桁架，同时因工程要求柱距较大，故柱采用空间斜腹杆四支柱，既满足竖向承重要求，又可较好地抵抗风荷载作用下水平变形(图3)。

1.4 基础

根据地勘资料，该厂房基础采用独立柱基或大直径人工挖孔灌注桩，其中独立柱基作用在强风化泥岩土层中，大直径人工挖孔灌注桩作用在中风化泥岩或卵石土层中。

图3 柱结构图

2 空间钢管桁架的设计计算及特点

2.1 空间钢管桁架的设计计算

2.1.1 高跨比的确定

空间钢管桁架的高度h要根据荷载大小和使用要求等综合考虑，通常取h/L=1/20～1/13，对于轻型桁架，当静载设计值q≤3.0 kN/m2时，h/L=1/15左右较为经济，当更轻时，可取h/L=1/20～1/15。

2.1.2 内力分析

空间钢管桁架是静定的空间桁架，可简化为平面桁架进行分析，把桁架上弦(下弦)的竖向(或水平)荷载分解到平面屋架上进行分析，屋面荷载都集中到节点上。然后用计算机按平面桁架进行详细内力计算与分析，以此作为设计的依据.

2.1.3 挠度验算

由于空间钢管桁架往往跨度很大，因此需要进行挠度验算，挠度容许宜取L/400，在制作时，应预先起拱。

2.2 空间钢管桁架的设计特点

(1)空间钢管桁架可简化为平面桁架进行分析，内力计算简单，传力途径明确。

(2)温度等间接作用效应明显。支座位移、温度变化和地面运动等间接作用对大跨结构有一定的影响。例如温度作用随结构尺度的加长而产生柱中应力。

(3)它是空间结构，各个杆件之间互相起支撑作用，既是受力杆件也是支撑杆件，能够充分发挥各个杆件的作用，整个屋盖系统除设置少量系杆外，一般不需要其他支撑系统，这样不但节省了钢材，且施工简便快捷。本工程设计用钢量仅约70 kg/m2。

3 其他设计要点

(1)本工程整体结构可简化为排架结构进行计算分析，柱采用与空间钢管桁架等宽的空间斜腹杆四支柱，因跨度较大，为防止屋盖系统因支座位移而产生不利影响，就要对柱顶位移有较严格的限制，建议厂房柱的横向位移不大于H/500(H为柱计算长度)。

(2)该建设场地应为稳定场地，基础均应座于设计要求的相应土层中，以免产生不均匀沉降或场地整体失稳。

4 结束语

四川旺苍114 m跨干煤棚，经过设计人员不断优化结构方案，厂房屋架满足强度、平面内外稳定计算。采用空间桁架结构比空间网架、网壳结构体系节约投资约为20% ～30%，同时施工工艺较为简单，一般资质的施工单位均可。该结构型式适应面较广，尤其是施工力量比较薄弱的中小城市、边远地区。

结合实际情况，空间钢管桁架结构不仅满足了取煤机对大空间厂房的需求，而且工程造价低，充分体现了安全、合理、经济的工程设计理念。

［1］GB 50017－2003钢结构设计规范［S］

［2］江志香.大跨钢管拱桁架结构计算简化模型的分析［J］.基建优化，2005，26(6)