全封闭煤棚结构形式与选取原则

２０２０年４月下
第４９卷㊀第８期
施㊀工㊀技㊀术
ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
８１
㊀ＤＯＩ:１０ ７６７２/ｓｇｊｓ２０２００８００８１
全封闭煤棚结构形式与选取原则
∗
乔支昆１ꎬ朱滢政２ꎬ李竞远２ꎬ尹新伟１ꎬ陈㊀婷１
(１.大唐环境产业集团股份有限公司ꎬ北京㊀１０００９７ꎻ２.清华大学土木工程系ꎬ北京㊀１０００８４)
[摘要]整理煤棚结构自要求进行全封闭建设以来常见的结构形式ꎮ结合具有代表性的工程实体ꎬ比较不同结构形式的优缺点和力学性能ꎬ并依据目前煤棚结构在结构形式选取时参考的主要指标ꎬ如构造性㊁经济性㊁适用性㊁可行性㊁功能性等ꎬ总结全封闭煤棚的选取原则ꎮ[关键词]钢结构ꎻ煤棚ꎻ网架ꎻ网壳ꎻ充气膜结构[中图分类号]ＴＵ３９３ ３
[文献标识码]Ａ
[文章编号]１００２￣８４９８(２０２０)０８￣００８１￣０６
ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＦｏｒｍｓａｎｄＳｅｌｅｃｔｉｏｎＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＦｕｌｌｙ
ＥｎｃｌｏｓｅｄＣｏａｌＳｔｏｒａｇｅＳｈｅｄ
ＱＩＡＯＺｈｉｋｕｎ１ꎬＺＨＵＹｉｎｇｚｈｅｎｇ２ꎬＬＩＪｉｎｇｙｕａｎ２ꎬＹＩＮＸｉｎｗｅｉ１ꎬＣＨＥＮＴｉｎｇ１
(１.ＤａｔａｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＩｎｄｕｓｔｒｙＧｒｏｕｐＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＢｅｉｊｉｎｇ㊀１０００９７ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＢｅｉｊｉｎｇ㊀１０００８４ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｏｒｔｓｏｕｔｔｈｅｃｏｍｍｏｎｆｏｒｍｓｏｆｃｏａｌｓｔｏｒａｇｅｓｈｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｃｅｔｈｅｆｕｌｌｙｃｌｏｓｅｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｗａｓｒｅｑｕｉｒｅｄ.Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｊｅｃｔｓꎬｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓꎬ
ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｏｒｍｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ.Ａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍａｉｎｉｎｄｅｘｅｓꎬｓｕｃｈａｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌꎬｅｃｏｎｏｍｉｃꎬｐｒａｃｔｉｃａｌａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎａｌꎬｗｈｅｎｓｅｌｅｃｔｉｎｇｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｏｒｍｆｏｒａｓｐｅｃｉｆｉｃｃｏａｌｓｔｏｒａｇｅｓｈｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎻｃｏａｌｓｔｏｒａｇｅｓｈｅｄꎻｇｒｉｄｓꎻｒｅｔｉｃｕｌａｔｅｄｓｈｅｌｌꎻａｅｒａｔｅｄｍｅｍｂｒａｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
∗大唐环境产业集团股份有限公司课题:煤场封闭结构安全监测系统研发
[作者简介]乔支昆ꎬ高级工程师ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｑｉａｏｚｋ＠ｄｔｅｇ.ｃｏｍ.ｃｎ[收稿日期]２０１９￣１２￣１２
０㊀引言
为落实国家政策要求[１]ꎬ全面贯彻生态文明建
设ꎬ需加强煤炭资源绿色开发和清洁利用ꎬ原有露天式堆放煤场难以满足要求ꎬ因此对发电厂提出全封闭建设要求ꎮ煤棚的全封闭要求能有效削减煤尘排放量ꎬ改善大气环境质量ꎬ控制扬尘和雾霾问题ꎮ建设全封闭煤棚不仅关系到煤炭资源的合理运用ꎬ更关乎经济㊁环境等领域的建设和发展ꎬ具有重要意义ꎮ
世界上第一座发电厂是１８７５年于巴黎北火车站建立的电厂ꎬ当时作为发电能源的煤炭大多都是露天堆放ꎬ相对较好的储藏形式则是以小木棚进行遮蔽ꎬ这也是干煤棚的雏形ꎮ１８８２年ꎬ英国人Ｒ.Ｗ.Ｌｉｔｔｌｅ在上海创立了第一座火力发电厂ꎬ干煤棚结构随之在国内产生ꎬ之后的１００年间ꎬ干煤棚结构以露天和半露天形式为主ꎬ直到２０世纪８０年代全封闭
煤棚才开始逐步投入使用ꎮ全封闭煤棚结构至今已有近４０年历史ꎬ从结构早期的平面钢拱和平面桁架ꎬ到柱面或球面网壳等空间结构ꎬ再到近年来兴起的气膜煤棚等柔性结构ꎬ已投入使用的结构形式多达十余种ꎮ本文通过分析这些常用结构形式ꎬ根据彼此的异同进行形式分类ꎬ并结合工程实际情况ꎬ考虑多种因素ꎬ给出一个可供参考的结构形式选取原则ꎮ
１㊀全封闭煤棚结构主要形式及特点１ １㊀刚性结构体系１ １ １㊀平面结构在２０世纪８０年代前ꎬ我国干煤棚结构大多采用平面拱结构形式ꎬ根据干煤棚尺寸和受力情况ꎬ常见的有折线拱㊁二铰拱和三铰拱等ꎬ如图１所示ꎮ石洞口二厂项目煤棚选用折线拱结构形式ꎬ谏壁电厂项目采用二铰拱结构形式ꎬ贾汪电厂[２]项目采用三铰拱结构形式ꎮ然而ꎬ平面拱结构用钢量通常较大ꎬ一般>１００ｋｇ/ｍ２ꎬ出于经济性考量ꎬ工程师们逐渐把目光投向空间结构形式ꎮ
８２㊀施工技术第４９
卷
图１㊀常见平面拱形式
１ １ ２㊀网架结构
空间网格结构的起源可追溯至亚历山大 贝
尔ꎬ其在１９０７年设计各种不同结构形式风筝ꎬ经过
多次试验ꎬ最终建立 四面体风筝 ꎬ该结构以正四
面体为核心单位ꎬ并通过共用节点方式进行支承和
连接ꎮ
第二次世界大战后ꎬ因为工业化生产的大力推
进和技术发展ꎬ空间网格结构作为一种新兴结构形
式开始得到多方面关注和研究ꎮ１９６４年建立的上
海师范学院球类房屋盖[３]是我国第一幢空间网格建筑物ꎬ自２０世纪７０年代以来ꎬ空间网格结构越来
越多地投入工程使用ꎬ文献[４]正式对网格结构进
行介绍和定义ꎬ并归纳其３个特征:由相似尺寸和形
式的预制构件组成ꎬ通过节点按照一定规律进行连
接ꎬ具备空间三维受力特性ꎮ文献[５]将网格结构
根据外形特征进行分类ꎬ平板状称为网架ꎬ曲面状
称为网壳ꎮ
空间网格结构技术在蓬勃发展的同时ꎬ其适用
范围也在不断扩大ꎬ就全封闭煤棚结构而言ꎬ由于
其自身用途的特殊性ꎬ不能完全地生搬硬套网格结
构的典型构造和形式ꎬ而是需根据每个工程项目工
艺要求㊁地质条件㊁荷载条件等具体情况及施工和
后期维护的需求进行结构形式设计ꎮ
网架结构是一种通过节点连接的杆系结构ꎬ是
在国内发展最为迅速并最早得到普及的空间网格
结构形式ꎬ常见网架形式有平面桁架网架和四角锥
网架ꎬ如图２所示ꎮ据统计[３]ꎬ截至１９９９年底ꎬ国内已投入使用的空间网格结构约１００００幢ꎬ其中网架
结构约占９６％ꎬ多达９６００余幢ꎮ刘锡良[６]总结网架结构能得到广泛应用的原因可归纳为２个方面:①结构自身具有显著的优越性ꎬ结构形式灵活ꎬ能适应不同跨度和工程要求ꎻ②政策支持ꎬ这与空间结构委员会开展的大量工作㊁网架相关规范和资料的编著及网架设计公司的大量涌现密不可分ꎮ网架结构刚度大ꎬ整体性能突出ꎬ受力分布合理ꎬ安装施工方便ꎮ基于以上优势ꎬ网架结构在全封闭煤棚工程建设中很快得到实际应用ꎬ而且设计用钢量低ꎬ具有很好的经济效益ꎮ
１９９５年投入使用的湛江电厂一期项目[７]采用网架结构ꎬ该项目由华南理工大学和广东省水利电力勘测设计研究院联合设计ꎬ
位于湛江市东北部调
图２㊀常见网架结构形式
顺岛ꎮ因地处围海填砂形成的人工海滩上ꎬ且位于台风多发区ꎬ支座难以抵抗风荷载作用产生的拱脚推力ꎬ因此废除原有半圆拱结构形式ꎬ选用四柱支承式平板网架结构ꎮ网架立柱间距７９ ８ｍꎬ下部弦杆标高２７ ６００ｍꎬ正方形网格尺寸为４ ２ｍꎬ能完全满足半径约３８ｍ的料斗机取料工作ꎬ网架用钢量约为７０ ３ｋｇ/ｍ２ꎬ与容量相似的平面结构形式干煤棚相比节约近一半用钢量ꎮ四角锥网架正放抽空[８]
的形式既能发挥网架结构整体受力优势ꎬ满足建筑物功能要求ꎬ又很大限度地降低结构用钢量ꎮ网架结构构件之间的连接常采用螺栓球节点㊁焊接球节点和直接相贯节点ꎮ螺栓球节点由诸多成品部件组成ꎬ具有现场装配化程度高㊁安装方便等特点ꎮ但由于不可避免的构件制作误差或现场安装偏差影响ꎬ往往会形成装配内力ꎬ这也是近年来螺栓球网架结构频发安全事故的主要原因之一ꎮ焊接球节点和直接相贯节点的现场焊接工作量大ꎬ对安装定位精度控制要求高ꎮ构件连接在焊接过程中的冷却收缩效应也会在结构中形成较高的残余应力ꎮ建议采取措施ꎬ如改善焊接工艺或焊接顺序ꎬ尽量降低残留在结构中的焊接残余应力ꎮ
１ １ ３㊀网壳结构
空间网格结构中的曲面形式即为网壳结构ꎬ其既有杆系结构的特征ꎬ同时又具有壳体结构的优势ꎮ我国第一幢网壳结构是１９５６年天津体育馆屋盖[９]ꎬ采用联方网格形式的圆柱面网壳结构ꎬ并使用拉杆作为辅助结构ꎮ据统计ꎬ截至２０００年底ꎬ我国已投入使用的各种网壳结构有５００多幢ꎮ壳体结构使传力机制更完善ꎬ受力分布更均匀ꎬ曲面形式造型优美ꎬ更能满足新时代审美要求ꎮ自２０世纪８０年代后半期以来ꎬ理论和技术层面的完善及建筑物功能和造型多样化的要求促使网壳结构进入一个飞速发展时期[１０]ꎮ
干煤棚结构常见网壳结构形式是柱面网壳和球面网壳ꎮ柱面网壳适用于矩形平面场地ꎬ其典型形式如图３所示ꎮ安徽淮南的顾桥电厂采用柱面网壳结构[１１]ꎬ工艺要求该结构跨度需达１０６ｍꎬ净高不
２０２０Ｎｏ.８乔支昆等:全封闭煤棚结构形式与选取原则８３
㊀得低于３５ｍꎬ因其跨度大㊁净高低的特点ꎬ最终选择采用三心圆钢拱柱面网壳结构ꎬ基本网格采用正放四角锥形式ꎬ通过螺栓球节点连接ꎮ此外ꎬ河南鸭河口电厂[１２]㊁重庆双槐电厂[１３]等也采用了柱面网
壳结构形式
ꎮ
图３㊀典型柱面网壳结构
李海旺等[１４]曾对三心圆钢拱结构进行动力弹塑性分析ꎬ明确其结构刚度的薄弱部位位于两段圆弧的切点处ꎬ因此在截面设计时ꎬ在满足跨度和净高要求的同时ꎬ也要注意调整圆弧尺寸ꎬ增强结构受力分配的合理性ꎬ减少内力突变的危险截面数量ꎮ
球面网壳适用于圆形或正方形平面场地ꎬ其典型形式如图４所示ꎮ西安灞桥电厂[１５]干煤棚工程采用球面网壳结构ꎬ由浙江大学空间结构研究中心负责结构设计ꎮ其网壳跨度达１０１ ６ｍꎬ高度达３４ ２ｍꎬ网格采用四角锥结构ꎬ在部分进行过缩格处理的位置为三角锥结构ꎬ并通过螺栓球节点连接ꎬ
用钢量约为３９ｋｇ/ｍ２ꎮ
图４㊀典型球面网壳结构
球面网壳结构在设计阶段需注意对边界条件
的考虑[１６]ꎬ用于干煤棚建设的球面网壳通常会在其下部设混凝土挡墙ꎬ既为上部网壳结构提供支撑ꎬ
又能抵抗煤堆积产生的侧向压力ꎬ同时避免地面环境对钢结构网壳的腐蚀ꎮ因此ꎬ球面网壳在选取支承形式和支座类型时需综合考虑混凝土结构和钢结构双重影响ꎮ灞桥电厂干煤棚采用下弦支承方式ꎬ选取刚性连接支座ꎬ既能协调上部网壳结构内力和变形ꎬ也能满足下部混凝土挡墙抵抗堆煤产生的侧向位移要求ꎬ从而使两部分结构产生的变形协调ꎮ
网壳结构整体稳定计算和设计是结构设计师
关注的重点ꎮ除常规计算构件强度和稳定性外ꎬ考虑到网壳结构在全(满)跨荷载作用下易发生整体失稳ꎬ故需采用几何非线性分析或双非线性分析方法计算其整体稳定承载力ꎮ网壳结构整体稳定性计算要选择最不利几何缺陷分布形式及其适当幅值ꎮ柱面和球面网壳结构整体稳定性计算方法较成熟ꎬ对于其他自由曲面组成的非常规网壳结构ꎬ其整体稳定性计算方法还需进一步完善ꎮ
１ ２㊀刚柔结构体系
平板网架及曲面网壳结构等均属于传统意义
上的刚性结构ꎬ具有共同的局限性ꎮ为适应更复杂的工程或建筑要求ꎬ需将不同结构形式进行组合ꎬ这种结构通常被称为杂交结构[１７]ꎮ在全封闭干煤棚工程项目中ꎬ常见杂交结构为刚性结构(如网壳㊁
网架㊁钢拱等)和柔性结构(如拉索㊁膜结构等)的结合ꎬ常见的有索￣拱结构㊁张弦结构等ꎮ这些新结构形式往往兼具刚性结构和柔性结构优点ꎬ在此归类为刚柔结构ꎮ
１ ２ １㊀索￣拱结构
在刚性结构中ꎬ钢拱结构在全(满)跨荷载作用下具有刚度大㊁稳定性好的特点ꎬ常用于大跨结构中ꎮ但由于钢拱结构在全(满)跨荷载作用下的弹性屈曲模态呈平面内反对称变形分布ꎬ因而对反对称几何初始缺陷极为敏感ꎮ另外ꎬ钢拱结构在半跨荷载或偏跨荷载作用下也具有刚度变弱㊁承载力降低的特点ꎬ而作为柔性结构的拉索能通过合理布置提高钢拱的刚度及承载力ꎬ也使钢拱不再对反对称几何初始缺陷敏感ꎮ这种钢拱和拉索组合形成的结构被称作索￣拱结构ꎮ剧锦三等[１８]对索￣拱结构的稳定性展开研究ꎬ并着重分析索对整体结构极限荷载产生的影响ꎻ在此基础上ꎬ王宏等[１９]对索￣拱结构自振频率及在风荷载㊁地震荷载下的动力反应进行分析ꎻ郭彦林等[２０]则研究一种新型索￣拱结构形式的弹性稳定性能ꎬ这种新型索￣拱结构依据全跨荷载作用下拱的弯矩分布来布置撑杆和拉索ꎬ以达到提高钢拱刚度和承载力的目的ꎬ形式如图５所示
ꎮ图５㊀一种新型预应力索￣拱结构
长春热电厂煤棚采用一种比较典型的索￣拱结
构[２１]ꎬ形式如图６所示ꎬ上部为钢拱结构ꎬ下部设置预应力拉索ꎬ通过刚柔结构组合ꎬ提高结构整体刚度ꎬ平衡钢拱在竖向荷载作用下产生的水平力ꎬ使
８４㊀施工技术第４９卷
拱结构内力分布更均匀ꎬ同时可减小风荷载和地震荷载作用下产生的弯矩与侧向位移ꎮ其索拱桁架横向跨度达１１０ｍꎬ煤棚长度达２２９ｍꎬ净高为
３５ ４ｍꎬ整体用钢量约为３０ｋｇ/ｍ２ꎮ通过分析近年来和该项目跨度相近的干煤棚项目ꎬ可发现其中绝大多数均采用了柱面网壳结构形式ꎬ用钢量大多在４０~５０ｋｇ/ｍ２ꎬ通过对比发现索￣拱结构形式能节省约２５％用钢量ꎬ同时由于索结构平衡了钢拱传递的水平推力ꎬ降低了对基础的要求ꎬ能够降低基础造价３０％左右
ꎮ
图６㊀一种典型索￣拱形式
单索盘车辐拱和双索盘车辐拱[２２]应用于煤棚封闭结构也不失为一种好的结构形式ꎮ在拱形钢结构内部设置拉索ꎬ可大大提高钢拱刚度和承载力ꎬ同时ꎬ克服了钢拱对平面内反对称几何初始缺陷的敏感性ꎬ大大提高了结构稳定性ꎮ当对煤棚室内净空有较高要求时ꎬ可通过设置双索盘ꎬ形成双索盘车辐拱ꎬ提高室内空间利用率ꎬ单索盘车辐拱和双索盘车辐拱结构形式如图７所示[２２]
ꎮ
图７㊀单索盘车辐拱和双索盘车辐拱
索拱受力机理较复杂ꎬ在开始使用时ꎬ一度认为拉索对钢拱产生了不利的附加作用ꎬ因而会导致钢拱的承载力降低ꎮ研究发现ꎬ在钢拱受到外荷载作用发生变形时ꎬ拉索沿其变形方向对钢拱产生牵制作用ꎬ从而限制了钢拱变形进而提高刚度和承载力ꎮ
１ ２ ２㊀张弦结构
现在投入使用的干煤棚中ꎬ９５％以上均为三心圆钢拱柱面网壳结构形式ꎬ但其仍具有整体空间利用率低及支座反力大的局限性ꎮ在河南新乡火电厂[２３]干煤棚工程中ꎬ因场地条件的限制ꎬ常见柱面网壳结构形式不能满足要求ꎬ因而罗尧治[２４]及其团队提出了一种将预应力拉索和柱面网壳相结合的新型杂交结构形式 弦弓式网壳结构ꎬ通过预应力拉索来平衡网壳产生的内力ꎬ通过反拱作用减小支座处的受力和位移ꎮ该工程项目跨度８１ ８ｍ㊁长度１０８ｍꎬ经过多方案比选后ꎬ最终确定整体上采用非落地式柱面网壳ꎬ并通过预应力拉索来平衡支座水平推力ꎬ其形式如图８所示
ꎮ
图８㊀弦弓式柱面网壳结构
预应力拉索与钢拱之间使用撑杆连接ꎬ则可形成拱形张弦梁式煤棚封闭结构ꎬ如图９所示ꎮ此时ꎬ下弦预应力拉索不仅可中和拱脚水平推力ꎬ还可通过撑杆限制钢拱平面内变形ꎬ提高钢拱刚度和承
载力
ꎮ
图９㊀拱形张弦梁式煤棚封闭结构
１ ３㊀柔性结构体系
在已有空间结构形式逐步完善的同时ꎬ工程师们也在寻求新的发展方向ꎬ在计算机和建筑材料的不断革新中ꎬ膜结构的应用逐步从研究领域走向工程实践ꎮ常见的膜结构主要分为充气膜和张力膜２种类型[２５]ꎬ充气膜通过气膜内外的压力差进行预应
力施加ꎬ从而抵抗外部荷载ꎬ我国第一个充气膜结构是２０世纪９０年代建成的房山游泳馆[２６]ꎻ张力膜结构将骨架作为支承结构在其上张拉膜材ꎬ进而施加预应力ꎬ这两种形式在受力机理上完全不同ꎬ并且各具优势和劣势ꎮ膜结构作为柔性结构ꎬ具有优秀的经济性和环保性ꎬ对场地要求低ꎬ施工周期短ꎬ是一种极具潜力的新型结构形式ꎮ
全柔性结构的另一种索网结构形式[２７]更具有受力合理和现场装配化要求等特点ꎬ这种能缓和风荷载的自平衡索网结构(见图１０)通过设置可绕拱脚连线转动的端部钢拱和通过配重施加预应力的拉索ꎬ使结构能在风荷载作用下产生较大位形变化ꎬ改变风荷载的方向及幅值ꎬ促使内力重分布ꎬ从而减小风荷载影响ꎮ同时ꎬ由于拉索预应力完全通过配重施加ꎬ无需专用的张拉设备ꎬ施工效率较高ꎮ
１ ３ １㊀充气膜结构
充气膜结构通过内外气压差平衡外部荷载ꎬ其无柱无梁的特性和大跨度建筑的空间要求相吻合ꎬ
２０２０Ｎｏ.８乔支昆等:全封闭煤棚结构形式与选取原则８５㊀
图１０㊀能缓和风荷载的自平衡索网结构
因此越来越多的体育场馆㊁厂房等均采用了充气膜结构ꎮ但充气膜结构的承载力会受到柔性材料本身制约ꎬ风雪荷载等能对材料本身产生影响的外部荷载易导致柔性膜材发生断裂或性能丧失ꎬ从而降低结构承载力ꎮ在干煤棚项目中ꎬ由于控制荷载往往是风雪荷载ꎬ因此虽然有很多设计方案中提出充气膜结构的设想ꎬ但均因为不能很好地抵抗荷载而未被采用ꎮ
我国第一个真正意义上的充气膜封闭煤棚是位于内蒙古乌拉特中旗工业园区的神华巴彦淖尔选煤厂项目[２８]ꎬ该项目一期工程由２个条形煤场组成ꎬ其中２号煤棚横向跨度达１００ｍꎬ纵向深度约４００ｍꎬ净高为３６ｍꎬ建成后是国内第一座㊁世界上容
量最大的充气膜煤棚工程ꎮ该项目结合国外已有经验ꎬ创新性地提出斜向网格式钢缆传力系统[２９]ꎬ通过斜向正交索网固定充气膜ꎬ既可承担一部分荷载并引导内力均匀传至基础底座ꎬ又可通过控制气膜水平和上升变形阈值ꎬ加强其纵向和横向刚度[３０]ꎮ通过该系统ꎬ解决了充气膜结构承载性能的不足ꎬ提高其稳定性ꎬ使气膜结构煤棚真正能应用到工程实际中ꎮ
１ ３ ２㊀张拉式索膜结构
随着对充气膜结构的深入研究ꎬ工程师们也发现了其功能上的局限性ꎬ如用电量大㊁气压不稳定㊁动荷载承载力不足等ꎬ因此工程师们一方面在原有结构上进行改进ꎬ另一方面也将目光更多地投向张力膜结构形式ꎮ１９６７年ꎬ在加拿大蒙特利尔展览会上出现的新型结构成功地结合了索网结构和膜结构的特征ꎬ标志着张拉式索膜结构的诞生ꎬ其为张力膜领域最具有普适性的结构形式之一[３１]ꎮ索膜结构采用预应力拉索作为支承结构ꎬ然后将膜材在支承结构间进行张拉ꎬ从而共同承受荷载ꎬ其主要构成中的拉索和膜材均为柔性材料ꎬ通过预张拉产生刚度ꎬ进而构成自平衡体系[３２]ꎮ
２㊀结构形式选取原则
综合上述对干煤棚结构形式的分类和介绍ꎬ可看出干煤棚结构形式的选择受到多方面因素的影响ꎮ通过总结归纳ꎬ试从构造性㊁经济性㊁适用性㊁可行性㊁功能性对不同结构形式进行对比分析ꎬ进而对干煤棚结构形式的选取提出建议ꎮ
２ １㊀满足构造性能
结构形式比选的前提是力学性能满足构造的需求ꎬ在此基础上再考虑经济性㊁周边环境等因素的影响ꎮ对于干煤棚结构来说ꎬ不同结构形式具有不同的受力机理和传力机制ꎬ针对不同规格和要求的煤棚ꎬ其结构形式首先必须满足承载力及变形要求ꎬ同时也要结合其作业方式进行合理的构造布置ꎬ满足项目的整体规划要求ꎮ现阶段采用空间网格结构的煤棚相较于平面结构具有更好的空间性能ꎬ受力更合理ꎮ此外ꎬ在结构选型时还应考虑到建筑外观造型ꎬ能和整个项目相适应ꎬ避免不和谐因素ꎮ
２ ２㊀考量经济指标
对于干煤棚结构ꎬ经济效益的直观体现是用钢量ꎬ最早投入使用的平面拱结构形式的用钢量往往在１００~２００ｋｇ/ｍ２ꎬ现阶段常见的柱面网壳或球面网壳形式的用钢量往往在３０~６０ｋｇ/ｍ２ꎬ近年来兴起的气膜式干煤棚则采用新型材料气膜代替传统钢构件ꎬ大幅度提高经济效益ꎮ除恒定的经济指标用钢量外ꎬ干煤棚结构作为特殊用途类建筑ꎬ还需考虑前期投入和后期维护费用ꎬ因此需综合考虑设计用钢量㊁现场施工及后期监测维护ꎬ甚至包括应急情况处置等各项经济指标ꎬ对各种结构形式进行比对进而提高经济效益ꎮ
２ ３㊀考虑适用环境
建筑物结构形式会受到外部环境制约ꎬ因此在结构选型时需考虑结构形式是否适用于工程项目的外界条件ꎮ具体到干煤棚项目ꎬ需考虑２个部分:①区域空间㊀因大多数全封闭煤棚项目均在原有露天或半露天煤棚基础上进行改造ꎬ因此占地面积会对结构选型形成限制ꎬ如网壳结构会因场地形状的限制而选择球面网壳形式ꎻ②外部荷载㊀因干煤棚多属于大跨结构ꎬ其控制荷载往往是风雪等与地域相关的荷载条件ꎬ同时温度荷载有时也起控制作用ꎬ因此需综合考虑项目所在地的具体荷载情况来开展选型工作ꎮ
２ ４㊀项目可行性分析
对于全封闭煤棚项目ꎬ其特殊的使用方式使其相较于其他建筑项目更需进行多层次可行性分析ꎮ干煤棚项目的可行性分析主要是现场施工和作业要求方面:现场施工方案选取ꎬ施工人员㊁设备配置㊁施工工期的时间成本均影响现场施工ꎬ因此ꎬ在结构选型时需要结合结构施工方案要求ꎻ作业要求
８６㊀施工技术第４９卷
则主要是为保证其内部输料栈桥及取料机安装和正常工作ꎬ而在选取设计方案时考虑尺寸和形式上的限制ꎮ
２ ５㊀功能特性需求
煤棚结构功能主要是煤炭储藏和运送ꎬ为更好地实现这一功能ꎬ煤棚结构往往会配备通风除尘㊁温度预警㊁数据监测系统ꎬ因此在结构设计时需考虑这些系统的配备和安装问题ꎬ预留出足够空间ꎮ同时ꎬ在结构选型时宜针对煤炭易燃㊁煤棚通风不流畅问题进行分析ꎬ从结构形式上采取措施ꎬ予以优化ꎮ
３㊀结语
本文总结了全封闭煤棚常用结构形式ꎬ归纳为刚性结构体系㊁刚柔结构体系和柔性结构体系ꎮ就每种具体结构形式从受力性能㊁经济性能㊁适用条件等方面展开讨论ꎬ可对全封闭煤棚结构形式的选取提供参考ꎮ
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