某三心圆柱面大跨度网壳结构设计与优化

吴晓龙 张 渊 周福青 徐 欣 王玲玲

(1.北京首钢国际工程技术有限公司，北京 100043; 2.北京住总集团有限责任公司工程总承包二部，北京 100124)

1 概述

随着环保要求日益提高，传统的防风抑尘网已经达不到最新的环保标准，因此为适应新形势下对大气污染物控制日益提高的要求，并本着建设绿色环保型电厂的精神，首钢京唐公司能源部对煤料场进行封闭改造，以满足环保的要求。当跨度较大(大于60 m)且中部无法设置立柱时，平板网架及门式刚架已经不能满足其功能要求，三心圆柱面双层网壳完美的解决了这一问题。

文中主要根据国家现行规范及标准，结合工程实例，介绍三心圆柱面大跨度网壳设计过程。此外，根据现场施工经验及设计回访，对大跨度网壳主体结构、支座、檩条等节点进行优化设计。

2 大跨度网壳设计

2.1 结构选型

在确定网壳结构的类型时应综合考虑结构的受力性能和经济性。结构受力性能与结构的平面形状尺寸、结构的矢高、曲面形式、网格形式、边界支承条件等因素有关[1]。网壳结构应满足形式简洁，传力路径均匀、明确以及功能要求。根据斗轮机工作范围、料条堆放位置、周边建筑物位置及业主要求，最终确定该煤棚结构跨度为136 m(投影跨度143.47 m)，纵向长283 m(投影长度287.94 m)，中部设置一道伸缩缝，两侧山墙封闭，建筑投影面积41 310.8 m2，其剖面如图1所示，网壳采用正放四棱锥三心圆柱面网壳结构，下弦杆多点支承，网格尺寸为4.94 m×4.94 m，网壳厚度为4.0 m，网壳高44.486 m，天窗高度3.92 m，三维模型如图2所示。

2.2 结构设计参数

本工程采用MST2016企业版软件计算，网壳计算模型为空间铰接杆系结构，因此荷载必须作用在网壳球节点上，杆中不得作用任何荷载。

1)材料：钢管选用GB/T 700中的Q345B，高强度螺栓选用GB 3077中的40Cr或20MnTiB，螺栓球选用GB 699中45号钢，焊接球选用Q345B。

2)长细比：一般杆件受压长细比取180，受拉长细比取250；临近支座处关键杆件受压长细比取150，受拉长细比取200[2]；关键杆件的地震组合内力设计值应乘以增大系数，7度时宜按1.1采用[3]。

3)应力比：考虑到杆件制作安装误差，支座沉降等误差影响，杆件应力比限值取0.90，其强度设计值为283.5 kN/m2。

4)荷载工况：设计煤棚网壳主体结构时主要考虑以下工况：恒荷载(屋面主、次檩条及压型钢板)0.25 kN/m2；活荷载[4]0.30 kN/m2；基本雪压0.40 kN/m2，雪荷载与活荷载取大值计算，并考虑半跨荷载布置情况；基本风压0.45 kN/m2，根据风洞试验结果取值；检修马道处(含照明及消防水泡)下弦节点荷载3.0 kN；温度荷载±30 ℃，要求合龙温度在15 ℃±3 ℃之间；地震作用，根据地勘报告，煤棚所在区域抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，场地地震分组为第一组，场地土类别为Ⅲ类，特征周期为0.45 s，多遇地震计算时采用振型分解反应谱法，取前100阶振型进行计算。

2.3 结构设计分析

采用MST软件参数化建模并进行自动优化计算，为保证杆件刚度的连续性，调整弦杆使得其受力方向相邻杆件截面面积不宜超过1.8倍[2]。最后确定杆件规格由φ75.5×3.5～φ219×16共15种。研究表明，减小用钢量较大杆件的极差可减小钢结构主体用钢量。

根据计算，所有杆件应力比均在0.9以内，满足强度要求。杆件最大轴力为2 281.3 kN，位于伸缩缝边缘，由于伸缩缝边缘处杆件缺乏山墙约束，类似于三边简支、一边自由的板块，且网壳结构中部受到的风吸力较大，导致端部杆件产生较大内力。恒活荷载标准值作用下，结构最大挠度为247 mm(1/551<1/250)，风荷载标准值作用下结构侧移为212 mm(1/210<1/150)，均满足刚度要求。采用MIDAS软件对网壳结构进行稳定性分析，按弹性全过程计算不同工况下网壳极限承载力稳定系数，其中最小值为7.7，大于安全系数4.2，满足稳定性要求[2]。

此外，采用MIDAS软件对网壳结构进行罕遇地震作用下弹塑性时程分析作为补充计算，分析结构的抗震性能。模型中桁架单元采用塑性铰模型，考虑杆件受拉和受压屈曲及屈曲后的强度退化。根据抗震规范要求，选取三条Ⅲ类场地地震波进行分析，地震加速度最大时程为310 cm/s2，按纵向∶横向∶竖向=1∶0.85∶0.65的比例输入，取前20 s地震波进行计算。计算表明，塑性铰分布于结构伸缩缝端部，以及网壳上端两侧部位，主要集中于腹杆，山墙以及网壳上下弦杆均未出现塑性铰，且塑性铰集中部位产生较大相对位移，这是由于腹杆受压屈曲所引起上下弦杆件之间的相对变位。塑性铰分布如图3所示，结构局部产生变形，未发生大面积塌陷，整体仍保持稳定状态，设计满足结构“大震不倒”要求。

2.4 钢结构量统计

网壳杆件与节点理论用钢量约2 252.54 t，按其覆盖面积41 310.8 m2，每平方米用钢量为54.53 kg。结构竣工图如图4所示。

3 大跨度网壳结构优化分析

3.1 温度应力优化分析

本工程各网壳单元纵向长度接近150 m，温度变化较大时，由于热胀冷缩效应，杆件长度变化的积累使得网壳结构发生较大的整体变形，最终导致结构支座反力增大，杆件内力增大，结构用钢量增加。

在不影响网壳结构整体稳定的情况下，通过删除支座处杆件，分为三种方案：1)原结构：未删除下弦杆；2)方案一：删除下弦杆；3)方案二：删除下弦杆+腹杆，如图5所示。分析表明，在温度变化30 ℃的情况下，原结构支座处的反力(纵向)及下弦杆内力均大于方案一与方案二，且从中部支座向两端支座逐渐增大，最大可达到2.56倍(312 kN/122 kN)。此外，由于杆件减少，温度应力得到释放，同时改善支座受力，方案一用钢量小于原结构；方案二中继续删除的腹杆为零杆，不影响结构受力，进一步减少了结构用钢量。可见网壳纵向长度越大，温度变化对支座反力及纵向杆件内力的影响越不可忽略。

3.2 支座优化分析

网壳支座一般由钢结构厂家制作，批量运输至现场，其做法一般如图6a)所示。锚栓突出混凝土表面，不利于成品支座安装及滑移法施工，影响施工进度及方案。

针对上述问题，对支座节点进行优化，如图6b)所示，支座优化节点不使用锚栓及底板，将加劲板直接焊于预埋件上，采用剖口焊缝。通过设计预埋件尺寸、厚度及锚筋的数量和直径，算得预埋件下混凝土的局部受压应力及加劲肋应力，均未超过其强度设计值。该方法不仅简化了施工工艺，而且减少了结构用钢量。

3.3 伸缩缝处节点优化分析

网壳结构纵向长度较大时，需设置多道伸缩缝。分析表明，增大伸缩缝间距，网壳主体钢结构覆盖面减小，可减少主体结构的用钢量，但是增大伸缩缝距离会导致位于下弦杆的纵向检修马道悬挑距离较长而导致无法连接，检修人员无法通过。本文对伸缩缝马道处网壳结构进行优化，如图7所示，通过局部增设下弦杆件及腹杆，网壳可设置纵向贯通的检修走道；同时，伸缩缝处檩条节点进行相应改进，如图8所示，将伸缩缝处檩条制作成可沿纵向滑动的檩条，根据线膨胀公式计算出檩托板上溜槽宽度。该做法不仅可以固定檩条，也可以适应网壳由于温度变化所产生的变形，减少主体结构的用钢量。

4 结论与建议

本文按照规范要求，借助有限元软件，结合工程实践，对大跨度三心圆网壳结构进行设计及优化，得出以下结论：罕遇地震作用下，大跨度网壳结构产生局部变形，但整体满足“大震不倒”要求；建议删除支座处水平系杆，该做法可释放杆件温度应力，可大幅度减小支座反力，使得结构受力更为合理；优化支座节点可简化施工工艺；通过增大伸缩缝间距，局部增设弦杆，将伸缩缝处檩条设置为纵向可滑动檩条，可减少网壳钢结构主体用钢量。