柱面网壳储煤棚设计探讨

吴英家

(大同煤矿集团设计研究有限责任公司，山西 大同 037003)

1 工程概况

本工程为某矿业公司煤场封闭工程。工程位置位于大同市云冈区某矿业公司主井工业场地内，煤场西侧紧邻运煤铁路专线，东侧为口泉河沟。整个煤场在清煤后的场地比较平整，分为两个矩形：一个可用矩形场地横向宽度54 m，横向无高差，纵向长度84 m，设计为储煤棚一；第二个可用矩形场地横向宽度45 m，横向无高差，纵向长度84 m，设计为储煤棚二。场地位于8度区(0.2g)，场地为填沟形成，表层杂填土10 m～15 m厚度不等，以下分别为卵石层及砂岩层。本文以煤棚一为例进行阐述。

2 结构选型

因现场有较大的存煤量要求，建设单位要求地面以上设置10 m高挡煤墙，然后在挡煤墙上部做钢结构封闭。另外，挡煤墙上部有原有输煤钢栈桥通过，上部钢结构部分应预留孔洞，以便原有输煤栈桥通过。考虑存煤高度较大，本工程下部采用扶壁式钢筋混凝土挡煤墙，上部钢结构采用圆柱面网壳，这样也与相邻的已经建成的精煤棚(钢结构部分为20 m高圆柱面网壳)相延续，设计采用矢高为20 m的圆柱面网壳，整体看起来比较美观。同时，圆柱面网壳受力性能好，节约钢材，经济效益好。

3 计算模型的边界条件确定

根据《网格规程》[1]第4.1.6条，空间网格结构分析时，应考虑上部空间网格结构与下部支承结构的相互影响。空间网格结构的协同分析可以把下部支承结构折算等效刚度和等效质量作为上部空间网格结构分析时的条件，也可以将上、下部结构整体分析。由于一般网壳结构杆件数量很多，考虑到计算条件有限，本工程网壳计算设计软件采用同济大学的3D3S进行单独的分析与截面优化，并考虑下部支承结构的影响。组装模型利用YJK建模计算，主要用于整体结构分析验算。

本工程下部支承结构为挡煤墙的扶壁柱，柱顶高度13.000 m，柱顶不设联系梁，挡煤墙顶部高度为10.000 m，每隔3 m设置扶壁墙，见图1。网壳结构模型的水平支承刚度与下部支承结构密切相关，如何确定网壳弹性支座刚度，是确定合理的边界约束的关键。在下部支承结构断面较大且高度不大的情况下，假定支承刚度无穷大时，仅考虑网壳支座的刚度对网壳计算分析结果影响不大，但是当下部支承结构高度较大时，很明显要考虑支承结构和支座刚度的串联作用。

网壳长度84 m，支座间距9 m，局部12 m，开洞处6 m。考虑网壳跨度较大且纵向长度较大，网壳纵边支座设计为双向板式橡胶支座，支座球节点平动得以约束，通过橡胶垫的剪切及压缩变形模拟球节点的转动。双支座示意图见图2。本工程支座橡胶垫的总厚度取50 mm，长、宽各为350 mm,橡胶层总厚度为38 mm,根据《空规》附录K式(K.0.4-1)：

水平横向刚度Kx0由于有短柱支挡，可视为无穷大。

网壳端边(山墙)支座为固定铰支座，考虑下部支承结构的影响，则计算模型的支座刚度为下部支承结构的刚度，可根据PKPM或YJK的模型计算出刚度。

4 荷载确定

4.1 恒载

网壳围护结构为C型檩条加单层彩色压型钢板，上荷恒载取0.20 kN/m2,下弦考虑灯具及管道等吊挂荷载，取恒载为0.1 kN/m2,网壳节点自重占网壳总重的25%。

4.2 活荷载

依据《荷载》[2],屋面活荷载为0.5 kN/m2。依据《电厂结构规程》[3],屋面活荷载为0.3 kN/m2，本工程取活荷载为0.3 kN,并考虑半跨活荷载验算。

4.3 雪荷载

依据《荷规》第7.1.2条，屋面活荷载取100年重现期的雪压0.4 kN/m2。雪荷载按全跨积雪的均匀分布、不均匀分布和半跨积雪的均匀分布按最不利情况采用。

4.4 风荷载

场地基本风压为0.55 kN/m2，依据《荷规》第8.1.2条，网壳结构属于对风荷载敏感结构，风荷载取100年一遇风压0.65 kN/m2。根据《荷规》8.4.2，本网壳工程的风振系数应有风洞试验确定，考虑到条件有限及工期紧张，最后取3D3S软件自动计算的结果和以往工程的风振系数的经验数值1.6～1.8区间做对比，取较大值。

4.5 温度作用

由于网壳结构平面尺度较大，温度变化是对结构的主要作用之一。维护采用单层压型钢板且无采暖，室内外温差为零。根据大同当地基本最高气温及最低气温分别为32 ℃及-22 ℃，考虑施工期主要为每年4月～10月底，设计要求施工合龙温度在5 ℃～15 ℃之间，根据《荷规》9.3.1：

结构升温ΔT+=32-5=27 ℃。

结构降温ΔT-=15+22=37 ℃。

4.6 地震作用

根据《网格规范》4.4.2条，网壳结构应考虑水平及竖向地震作用，由于网壳模型计算时要考虑下部结构的质量影响，将下部支承结构的质量的一半按附加质量输入在模型支座节点上来近似考虑支承结构的质量影响。

4.7 荷载组合

活荷载和雪荷载不同时考虑，雪荷载的不同工况和活荷载在3D3S中按互斥荷载输入，荷载组合按GB 50068—2019建筑结构可靠度设计统一标准执行。基本组合取永久荷载分项系数为1.3，可变荷载分项系数为1.5。地震组合按《抗规》[4]执行。

5 设计指标控制

关键杆件(按《抗规》执行)应力比按最大0.7控制，其他重要杆件(上下弦杆及开洞处附近杆件)应力比按最大0.8控制。次要杆件(如大多数腹杆)应力比最大为0.85。关键受压杆件长细比按120控制，其他受压杆件按180，关键受拉杆件长细比最大按200控制，其他受拉杆件长细比按250控制。网壳的最大挠度为62 mm<54 000/250=216 mm，满足要求。本工程网壳部分单位用钢量为29.4 kg/m2(投影面积，不含檩条)，经济效益较好。

6 结语

1)圆柱面网壳应用于封闭储煤棚工程较多，适应性很好，经济效益好。

2)条件允许的情况下，可采用网壳与支承结构的组装模型进行整体计算分析。网壳模型单独计算分析时，边界条件的确定应符合实际情况，支座刚度的正确模拟对计算影响很大。下部支承结构比较复杂的情况下，可采用计算程序确定支承刚度。

3)网壳结构对风、雪荷载比较敏感，对风、雪荷载的确定按100年一遇确定，并考虑雪荷载的不利布置。同时，也要合理确定合龙温度，保证温度作用的计算准确。

4)考虑到网壳杆件尺寸、厚度等有负公差及施工高空作业，杆件及节点的应力比控制不宜控制的太大，一般不超过0.9，否则有安全隐患。