结构108米跨度干煤棚三心圆柱面网壳研究与设计说明

108米跨度干煤棚三心圆柱面网壳研究与设计

罗尧治胡宁沈雁彬

(浙江大学空间结构研究中心)

是目前亚洲跨度最大的柱面结构。本文从结构选型、受力分析、结构设计、构造措施等方面进行详细的研究并给岀比较确切的风载体型系数。根据干煤棚实际使用中注意的问题并提岀一些重要的建议。本文对大跨度煤棚结构的设计和推广具有一定的指导意义。

设计体型系数

。干煤棚结构要求跨度大、净空高满足存储和作业空间。干煤棚结构发展至今已有二十年的历史使用过的结构形式主要有平面刚架、平面桁架、平面拱壳具有明显的优势 目前已成为干煤棚结构的主要结构形式。

长度90米采用正放四角锥三心圆柱面双层网壳的结构形式是目前亚洲跨度最大的三心圆柱面煤棚结构。

由于经过优化设计采取合理的构造措施使该煤棚结构的技术经济指标比较理想。现将煤棚中使用柱面网壳形式的部分工程进行技术经济指标的比较(表1部分柱面网

壳干煤棚结构的技术经济指标

螺栓球

角锥形式正放斜置四角锥形式抽空四角锥形式及桁架式等。桁架式网壳的空间受力性能不佳侧向稳定性差。正放斜置四角锥形式传力不直接在两边传力路径直接明确。因此本工程采用正放四角锥形式。

圆柱面网壳形式。三心圆柱面网壳有受力合理、结构刚度大、施工方便的优点并且可以充分利用室内空间降低结构标高

(b)正立面图

?侧立面图

图1干煤棚结构几何尺寸

与体形有密切的关系。决定三心圆柱面体形的几何参数主要有 [2] :跨向网格尺寸、跨向网格数、落地角柱面圆弧在支座处的切线与竖直面的夹角和网何参数增大而其它参数不变时各项技术、经济指标的变化趋势如表 2所示。

表2几何参数对结构技术、经济指标的影响

机的工作范围是决定体形的重要因素研究表明 [2] 结构内侧越靠近斗轮机工艺界线结构的展开面积越小其用钢量越省。

结构几何参数进行优化设计最后确定跨向网格尺寸为3.95米跨向网格数为37格其中大圆的半径R=70.1389米 圆弧夹角61.32° 网格数为19格,为.5米。上弦节点支承、下弦节点支承和上下弦节点共同支承。表 3所示为三种支承方式各项技术、经济指标的比较。

33%杆件内力变化均匀杆件重量减少 6吨。采用双排支承也能获得比较好的技术、经济性能。但是双排支承的柱面网壳受力性能类似无铰拱 由于在支附近的杆件和螺栓容易产生附加应力。根据计算 当支座产生 50mm勺跨向水平强迫位移时支座附近杆件内力增大十分明显并且出现拉压杆变号。另外

表3上弦支承和下弦支承结构技术、经济指标的比较

纵向边界的非支座节点及相连杆件去除 同时添加二根斜向上弦杆如图 2所示。

图2抽空非支座上弦节点的构造处理示意图

以下三点:杆件内力主要来自温度应力数值很小对网壳受力性能的影响可以忽略不计。如果煤棚在使用过程中不正确的堆煤造成对这些节点和杆件的挤压会产为好。

图3杆件内力图

(2) 抽空节点上方添加两根上弦杆后支座附近杆件内力更加均匀。将抽空节点和不抽空节点两种方案的比较如图 3所示。通过比较发现抽空节点低了杆件内力的峰值。不抽空时的杆件内力最大值为 687kN,抽空时的最大值为382kN,峰值下降44%

(3) 抽空节点和杆件后既丰富了立面的效果又可以作为运输煤的通道而且可以降低网壳内表面的风压值。

要荷载。 目前开口的三心圆柱壳的风载体型系数无现成规范可依所以进行风洞试验以确定体型系数。 以往的柱壳设计中常常采用 90。和30。 的水平风平风向角作用下结构的受力情况有较大的差异结构反弯点的位置有较大的不同。而且在有向下倾角风荷载作用下与水平风荷载相比结构受力往往更构在风荷载作用下的实际受力情况经过数据分析、归纳后在设计中可采用四种不同的风荷载体型系数。体型系数的区域划分见图 4对应的体型系数见

图4体形系数区域划分

表4风荷载体型系数

所以呈现单向受力状态。 网壳跨向杆件内力较大而纵向杆件内力较小。 图 5、 6分别是结构在竖向荷载作用下和 90。夹角风荷载作用下的内力变形图.2 0.6 0.2 0.1 -0.5 -0.1 0.1 -0.7 -0.2 -0.1

(b)下弦内力图 ?结构变形图

图5竖向荷载作用下结构内力变形图

(b)下弦内力图 ?结构变形图

图6风荷载作用下结构内力变形图

用下上弦平面杆件内力分布展开图 图8所示为上弦平面节点位移展开图。通过内力和位移的比较可以看出在不同风向角的风荷载作用下结构的内力分

(b)75°和60° ?45°和30° (d)15都控制一批杆件的最大内力。所以 只考虑一种风荷载方向进行设计的方法不够全面。

图7不同风向角的风荷载作用下上弦平面杆件内力分布展开图

(b)75°和60° ?45°和30° (d)15图8不同风向角的风荷载作用下上弦平面节点位移展开图

的问题及改进技术措施的问题