干煤棚网壳结构极限承载能力分析及其合理设计
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图 5 为一种独立的破坏形式，即从网壳中部一点开始拆 除杆件，当 ! = 7 " 时结构依然有承载能力，不过有 16 根杆件 已屈服，侧向位移为 160mm，竖向位移为 78mm。而 ! = 8 " 时，在本文计算所采用的实际荷载作用下，结构拱脚杆件开 始屈服，然后跨中压杆屈服，并最终破坏。
图 5 独立破坏的极限形态
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现代钢结构
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干煤棚网壳结构极限承载能力分析 及其合理设计
严 慧 陈武贞 肖志斌
（浙江大学 建筑工程学院 杭州 310027）
摘 要：通过对发生局部破坏的干煤棚网壳结构进行极限承载能力分析，采用短期荷载组合对受损网壳 的极限承载能力进行核算，继而得出结构的极限破坏形式。结果表明，网壳结构具有较高的安全储备，是一 种合理的空间结构。同时提出了一些改进壳体结构设计的建议，可供设计人员参考。
第一作者：严 慧 男 1935 年 10 月出生 教授 收稿日期：2003 - 09 - 20
50 Industriai Construction Voi.34，No.2，2004
工业建筑 2004 年第 34 卷第 2 期
坏，达到极限荷载。 在干煤棚网壳结构的实际使用过程中一般是支座处的
杆件由于各种原因首先破坏，因而为模拟实际中结构构件的 破坏次序，有计划地从支座处撤除杆件，找出结构破坏时的 形态。对于分析中所考虑的荷载，由于分析对象是部分杆件
高强度螺栓已受损断裂，有的杆件出现严重弯曲，还有一根 腹杆疑为被外力撞击而出现一条缺口（图 1c），严重影响到网 壳的安全使用。但同时我们也看到这些局部杆件发生破坏 的网壳结构一般情况下仍能继续承受荷载，而没有立即出现 整体倒塌破 坏，说 明 网 壳 结 构 的 结 构 安 全 储 备 还 是 比 较 高 的。本文就网壳结构的极限承载能力及其破坏形态进行进 一步的分析研究，并提出一些改进设计的建议，以供干煤棚 工程设计参考。
图 4。 当 ! = 0，" = 2 #（ # 为纵向网格尺寸）时，在计算荷载作
用下，结构并未有杆件出现屈服，杆件最大应力为 175MPa，侧 向位移 148mm，竖向位移 72mm，也就是说结构在这种情况下 仍有承载能力。在此种情况下若增大 "，则结构将屈服破 坏，如当 " = 3 # 时，拱脚竖向上弦杆开始屈服，并随之达到
关键词：干煤棚 网壳 极限承载力 极限破坏形式
ULTIMATE BEARING CAPACITY ANALYSIS OF RETICULATED SHELL OF DRY COAL SHED AND ITS RATIONAL DESIGN
Yan Hui Chen Wuzhen Xiao Zhibin （Coiiege of Civii Engineering and Architecture，Zhejiang University Hangzhou 310027）
当 ! = 3 #，" = 5 # 时，在计算荷载作用下，拱脚有 9 根杆
干煤棚网壳结构极限承载能力分析及其合理设计———严 慧，等
51
件屈服，侧向位移 159mm，竖向位移 78mm，即结构此时仍能 承载；而 ! = 6 " 时，亦是由拱脚杆件开始屈服，然后跨中压 杆屈服，并随之达到极限状态，结构破坏。
的情况，在结构选型时应采用适当的结构体型，以避免出现 煤堆压的不利情况。
1）提高支座节点标高（图 6a）。将支座支承于立柱上，网 壳设计成圆柱面壳形式，如此既可满足工艺界面的要求，同 时圆柱面壳的受力亦比较合理。但立柱柱顶水平反力会较 大，立柱需按挡土墙模式进行设计。
a - 提高支座节点坐标；b - 改用圆柱面壳 图 6 两种设计改进方案
2）将壳体由三心圆柱面壳改为圆柱面壳（图 6b）。在保 持矢高不变的情况下，网壳跨度增大，增加的空间有利于在
支座与煤堆间增设通道，设置挡煤墙及排水沟，将煤堆与支 座隔离。而且壳体的几何形态及受力性能可以得到合理的 调整与改善，因 此 结 构 的 用 钢 量 反 而 会 降 低［6］，不 过 支 座 的 水平反力明显增大，同时占地面积大，要求有充裕的空间。
破坏的干煤棚，这种局部破坏的状态在结构修复前只是相对 较短的一段时间，因而不采用原设计荷载，仅考虑在这短期 内可能出现的主要荷载：静载与风载（风压只考虑 3 年重现 期的基本风压）。计算的荷载工况组合为：1）1.2 静载；2）1.0 静载 + 1.4 风载。
a - 湖南某干煤棚整体倒塌；b - 下弦纵向杆件全部发生弯曲；c - 腹杆出现缺口 图 1 工程典型破坏案例
Abstract ：This paper performs the uitimate bearing capacity anaiysis on a reticuiated sheii of dry coai shed that has some iocai damages to check the uitimate bearing capacity of the damaged reticuiated sheii with short-term ioad，and gets the uitimate faiiure form that can stiii hoid the short-term ioad. The resuit indicates that safety factor of the reticuiated sheii structure is rather high and that the reticuiated sheii structure is a kind of rationai space structure. Furthermore some advices to improve the design of the reticuiated sheii structure are put forward and can be heipfui to designer. Keywords ：dry coai shed reticuiated sheii uitimate bearing capacity uitimate faiiure form
2 分析方法与思路 干煤棚网壳结构在局部杆件出现破坏之后还能继续承
载，也就是说，在撤除掉某些杆件之后结构仍有承受荷载的 潜力，这是因为网壳结构是高次超静定结构，在某些杆件或 者某些支座约束发生破坏后并不会立即由结构转化为机构， 此时所承受的实际荷载远小于设计荷载，为此我们试图分析 网壳结构在实际荷载作用下撤除多少杆件后会接近整体破
端开口，支座为沿两纵边上弦支承［5］。
图 4 极限状态示意
计算时采用的实际荷载为：静载 0.3kN/m2 、风载 0.2kN/m2 ， 结构设计 荷 载 为：静 载 0.3kN/m2 、活 载 0.3kN/m2 、风 载 0.3kN/m2 ，结构极限载荷为 1.62kN/m2 。
按照以上分析思路对其进行分析，得出各种极限形态如
mm
kN
（kg·m - 2 ）
竖向 侧向 竖向 侧向 纵向
支座不均匀 沉降对结构
最大应力 的影响/
正交正放四 17 . 66 角锥网壳
38 14 137 220 10 26 .（7 增大）
正交斜置四 23 . 5 角锥网壳
97 32 470 905 490 （1 增大）
从表 2 可以看出，正交正放四角锥网壳结构受力比较均 匀，空间刚度较好，在支座出现变位时结构反应很敏感，内力 变化很大［8］。而正交斜置四角锥网壳则整体刚度较差，用钢 量大，结构内力分布不均匀，在支座处最明显；支座反力分布 亦非常不均匀，边支座最大，如侧向反力达 905kN，其他一般 在 150 ~ 300kN 之间；同时由于其整体刚度差，对支座变位不 敏感。
图 3 算例结构简图
! 算例分析
目前，网壳设计一般采用线弹性有限元方法进行应力分
析，通过控制杆件的应力水平来保证结构的安全储备。设计
中采用满应力分析，充分利用杆件的应力强度，杆件应力水
平较高，而杆件的应力储备较小。
某干煤棚［4］为等 厚 度 正 放 四 角 锥 三 心 圆 柱 面 双 层 网 壳
（图 3），跨度 87.00m，纵向长 84.00m，高 31.48m，结构横向两
极限状态，结构破坏。 当 ! = #，" = 4 # 时，在计算荷载作用下，结构已有杆件
出现屈服，侧向位移 160mm，竖向位移 77mm，即结构此时仍 能承载；但当 " = 5 # 时，结构由拱脚杆件开始屈服，而后跨 中压杆屈服，并随之达到极限状态，结构破坏。
当 ! = 2 #，" = 5 # 时，在计算荷载作用下，结构已有杆件 出现屈服，侧向位移 158mm，竖向位移 77mm，即结构此时仍 能承载；但当 " = 6 # 时，结构由拱脚杆件开始屈服，而后跨 中压杆屈服，并随之达到极限状态，结构破坏。
3）正交正放四角锥网壳是目前双层圆柱面壳应用较多 的结构形式，正交斜置四角锥网壳亦有应用，本文以 60m 跨 度网壳为例（矢跨比为 1/6，网壳厚度为 2.5m），对二者在相同 工况下的静力特性进行了比较分析［7］。
表 # 正交斜置四角锥网壳与正交正放四角锥网壳的比较
最大位移/ 最大支座反力/
网壳型式 用钢量/
4 5" 3 " 23（5 已有 14 根杆件屈服） 159 78 ! = 6 " 工况二
5 7" 23（5 已有 16 根杆件屈服） 160 78 ! = 8 " 工况二
注："1 为 侧 向 位 移；"2 为 跨 中 点 竖 向 位 移；!max 为 杆 件 最 大 应力。
" 设计改进建议 针对目前干煤棚使用中经常出现煤堆压在支座节点上
对于单杆的力学模型，拉杆取理想弹塑性模型，压杆则 要考虑杆件的刚度退化，其残余承载力取屈服承载力的 30% （图 2）［2］。
图 2 单杆力学模型
在分析时采用线弹性模型进行整体有限元分析，出现屈 服杆件则予以撤除，并以杆件残余承载力作为节点荷载反向 施加于杆件两端节点，然后再进行整体分析，直至结构变成 机构或刚度矩阵出现奇异，此时就可以认为结构达到极限承 载力［2，3］。
计算结果见表 1。从以上分析可以看出，在各种状态下 结构位移无显著变化，也就是结构整体刚度变化不大，结构 破坏是由于拱脚处的压杆屈服引起，拱脚处压杆可以说是壳 体中最重要的杆件，应予以重视。在各种形态中 !/ # 的比 值都大于 1.（5 分别为 1.67，2.5，4 等），这也说明壳体的安全 储备是较高的。
表 ! 各种破坏形式计算结果
工 !#
况
!max / Mpa
来自百度文库
"1 / "2 / 破坏 计算荷 mm mm 情况 载工况
1 2" 0 175
148 72 ! = 3 " 工况二
2 4" " 23（5 已有 21 根杆件屈服） 160 77 ! = 5 " 工况二
3 5" 2 " 23（5 已有 9 根杆件屈服） 158 77 ! = 6 " 工况二
1概述 目前，国内火电厂所使用的干煤棚大都为三心圆柱面双
层网壳。这种结构两端开口、两侧边落地支承，结构外形比 较贴近工艺界面，能较好地适应工艺要求。同时用钢量亦较 低，一般在 40 ~ 60kg/m2 ，经济效益好。但在使用过程中也出 现了一些问题，主要是堆煤失控，超出设计堆煤区范围，甚至 堆到支座部位。支座与杆件长期受到煤堆挤压，易使支座附 近的杆件严重腐蚀；铲运不规范，杆件受到铲运机械的撞击， 严重时出现部分杆件断裂。由于以上种种原因出现杆件破 坏，影响到结构的安全使用。其中比较严重的如 2000 年湖 南某干煤棚在使用 5 年后发生整体倒塌事故［1（］ 图 1a）。事 后调查发现此结构在当年安装时即因违反操作规程施工致 使支座产生滑移，后虽经检修复位，却使一些伸入节点的高 强度螺栓受损而出现裂纹，在使用过程中又将煤长期堆压在 支座节点与杆件上，经挖掘发现不少杆件早已锈蚀而脱离节 点，如此“病态”网壳还能够支撑 5 年已属不易。江西某电厂 干煤棚因堆煤失控致使大量杆件为煤堆所压（图 1b），经挖开 发现两侧落地处有 80 多根杆件出现不同程度的破坏，有的
图 5 独立破坏的极限形态
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现代钢结构
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干煤棚网壳结构极限承载能力分析 及其合理设计
严 慧 陈武贞 肖志斌
（浙江大学 建筑工程学院 杭州 310027）
摘 要：通过对发生局部破坏的干煤棚网壳结构进行极限承载能力分析，采用短期荷载组合对受损网壳 的极限承载能力进行核算，继而得出结构的极限破坏形式。结果表明，网壳结构具有较高的安全储备，是一 种合理的空间结构。同时提出了一些改进壳体结构设计的建议，可供设计人员参考。
第一作者：严 慧 男 1935 年 10 月出生 教授 收稿日期：2003 - 09 - 20
50 Industriai Construction Voi.34，No.2，2004
工业建筑 2004 年第 34 卷第 2 期
坏，达到极限荷载。 在干煤棚网壳结构的实际使用过程中一般是支座处的
杆件由于各种原因首先破坏，因而为模拟实际中结构构件的 破坏次序，有计划地从支座处撤除杆件，找出结构破坏时的 形态。对于分析中所考虑的荷载，由于分析对象是部分杆件
高强度螺栓已受损断裂，有的杆件出现严重弯曲，还有一根 腹杆疑为被外力撞击而出现一条缺口（图 1c），严重影响到网 壳的安全使用。但同时我们也看到这些局部杆件发生破坏 的网壳结构一般情况下仍能继续承受荷载，而没有立即出现 整体倒塌破 坏，说 明 网 壳 结 构 的 结 构 安 全 储 备 还 是 比 较 高 的。本文就网壳结构的极限承载能力及其破坏形态进行进 一步的分析研究，并提出一些改进设计的建议，以供干煤棚 工程设计参考。
图 4。 当 ! = 0，" = 2 #（ # 为纵向网格尺寸）时，在计算荷载作
用下，结构并未有杆件出现屈服，杆件最大应力为 175MPa，侧 向位移 148mm，竖向位移 72mm，也就是说结构在这种情况下 仍有承载能力。在此种情况下若增大 "，则结构将屈服破 坏，如当 " = 3 # 时，拱脚竖向上弦杆开始屈服，并随之达到
关键词：干煤棚 网壳 极限承载力 极限破坏形式
ULTIMATE BEARING CAPACITY ANALYSIS OF RETICULATED SHELL OF DRY COAL SHED AND ITS RATIONAL DESIGN
Yan Hui Chen Wuzhen Xiao Zhibin （Coiiege of Civii Engineering and Architecture，Zhejiang University Hangzhou 310027）
当 ! = 3 #，" = 5 # 时，在计算荷载作用下，拱脚有 9 根杆
干煤棚网壳结构极限承载能力分析及其合理设计———严 慧，等
51
件屈服，侧向位移 159mm，竖向位移 78mm，即结构此时仍能 承载；而 ! = 6 " 时，亦是由拱脚杆件开始屈服，然后跨中压 杆屈服，并随之达到极限状态，结构破坏。
的情况，在结构选型时应采用适当的结构体型，以避免出现 煤堆压的不利情况。
1）提高支座节点标高（图 6a）。将支座支承于立柱上，网 壳设计成圆柱面壳形式，如此既可满足工艺界面的要求，同 时圆柱面壳的受力亦比较合理。但立柱柱顶水平反力会较 大，立柱需按挡土墙模式进行设计。
a - 提高支座节点坐标；b - 改用圆柱面壳 图 6 两种设计改进方案
2）将壳体由三心圆柱面壳改为圆柱面壳（图 6b）。在保 持矢高不变的情况下，网壳跨度增大，增加的空间有利于在
支座与煤堆间增设通道，设置挡煤墙及排水沟，将煤堆与支 座隔离。而且壳体的几何形态及受力性能可以得到合理的 调整与改善，因 此 结 构 的 用 钢 量 反 而 会 降 低［6］，不 过 支 座 的 水平反力明显增大，同时占地面积大，要求有充裕的空间。
破坏的干煤棚，这种局部破坏的状态在结构修复前只是相对 较短的一段时间，因而不采用原设计荷载，仅考虑在这短期 内可能出现的主要荷载：静载与风载（风压只考虑 3 年重现 期的基本风压）。计算的荷载工况组合为：1）1.2 静载；2）1.0 静载 + 1.4 风载。
a - 湖南某干煤棚整体倒塌；b - 下弦纵向杆件全部发生弯曲；c - 腹杆出现缺口 图 1 工程典型破坏案例
Abstract ：This paper performs the uitimate bearing capacity anaiysis on a reticuiated sheii of dry coai shed that has some iocai damages to check the uitimate bearing capacity of the damaged reticuiated sheii with short-term ioad，and gets the uitimate faiiure form that can stiii hoid the short-term ioad. The resuit indicates that safety factor of the reticuiated sheii structure is rather high and that the reticuiated sheii structure is a kind of rationai space structure. Furthermore some advices to improve the design of the reticuiated sheii structure are put forward and can be heipfui to designer. Keywords ：dry coai shed reticuiated sheii uitimate bearing capacity uitimate faiiure form
2 分析方法与思路 干煤棚网壳结构在局部杆件出现破坏之后还能继续承
载，也就是说，在撤除掉某些杆件之后结构仍有承受荷载的 潜力，这是因为网壳结构是高次超静定结构，在某些杆件或 者某些支座约束发生破坏后并不会立即由结构转化为机构， 此时所承受的实际荷载远小于设计荷载，为此我们试图分析 网壳结构在实际荷载作用下撤除多少杆件后会接近整体破
端开口，支座为沿两纵边上弦支承［5］。
图 4 极限状态示意
计算时采用的实际荷载为：静载 0.3kN/m2 、风载 0.2kN/m2 ， 结构设计 荷 载 为：静 载 0.3kN/m2 、活 载 0.3kN/m2 、风 载 0.3kN/m2 ，结构极限载荷为 1.62kN/m2 。
按照以上分析思路对其进行分析，得出各种极限形态如
mm
kN
（kg·m - 2 ）
竖向 侧向 竖向 侧向 纵向
支座不均匀 沉降对结构
最大应力 的影响/
正交正放四 17 . 66 角锥网壳
38 14 137 220 10 26 .（7 增大）
正交斜置四 23 . 5 角锥网壳
97 32 470 905 490 （1 增大）
从表 2 可以看出，正交正放四角锥网壳结构受力比较均 匀，空间刚度较好，在支座出现变位时结构反应很敏感，内力 变化很大［8］。而正交斜置四角锥网壳则整体刚度较差，用钢 量大，结构内力分布不均匀，在支座处最明显；支座反力分布 亦非常不均匀，边支座最大，如侧向反力达 905kN，其他一般 在 150 ~ 300kN 之间；同时由于其整体刚度差，对支座变位不 敏感。
图 3 算例结构简图
! 算例分析
目前，网壳设计一般采用线弹性有限元方法进行应力分
析，通过控制杆件的应力水平来保证结构的安全储备。设计
中采用满应力分析，充分利用杆件的应力强度，杆件应力水
平较高，而杆件的应力储备较小。
某干煤棚［4］为等 厚 度 正 放 四 角 锥 三 心 圆 柱 面 双 层 网 壳
（图 3），跨度 87.00m，纵向长 84.00m，高 31.48m，结构横向两
极限状态，结构破坏。 当 ! = #，" = 4 # 时，在计算荷载作用下，结构已有杆件
出现屈服，侧向位移 160mm，竖向位移 77mm，即结构此时仍 能承载；但当 " = 5 # 时，结构由拱脚杆件开始屈服，而后跨 中压杆屈服，并随之达到极限状态，结构破坏。
当 ! = 2 #，" = 5 # 时，在计算荷载作用下，结构已有杆件 出现屈服，侧向位移 158mm，竖向位移 77mm，即结构此时仍 能承载；但当 " = 6 # 时，结构由拱脚杆件开始屈服，而后跨 中压杆屈服，并随之达到极限状态，结构破坏。
3）正交正放四角锥网壳是目前双层圆柱面壳应用较多 的结构形式，正交斜置四角锥网壳亦有应用，本文以 60m 跨 度网壳为例（矢跨比为 1/6，网壳厚度为 2.5m），对二者在相同 工况下的静力特性进行了比较分析［7］。
表 # 正交斜置四角锥网壳与正交正放四角锥网壳的比较
最大位移/ 最大支座反力/
网壳型式 用钢量/
4 5" 3 " 23（5 已有 14 根杆件屈服） 159 78 ! = 6 " 工况二
5 7" 23（5 已有 16 根杆件屈服） 160 78 ! = 8 " 工况二
注："1 为 侧 向 位 移；"2 为 跨 中 点 竖 向 位 移；!max 为 杆 件 最 大 应力。
" 设计改进建议 针对目前干煤棚使用中经常出现煤堆压在支座节点上
对于单杆的力学模型，拉杆取理想弹塑性模型，压杆则 要考虑杆件的刚度退化，其残余承载力取屈服承载力的 30% （图 2）［2］。
图 2 单杆力学模型
在分析时采用线弹性模型进行整体有限元分析，出现屈 服杆件则予以撤除，并以杆件残余承载力作为节点荷载反向 施加于杆件两端节点，然后再进行整体分析，直至结构变成 机构或刚度矩阵出现奇异，此时就可以认为结构达到极限承 载力［2，3］。
计算结果见表 1。从以上分析可以看出，在各种状态下 结构位移无显著变化，也就是结构整体刚度变化不大，结构 破坏是由于拱脚处的压杆屈服引起，拱脚处压杆可以说是壳 体中最重要的杆件，应予以重视。在各种形态中 !/ # 的比 值都大于 1.（5 分别为 1.67，2.5，4 等），这也说明壳体的安全 储备是较高的。
表 ! 各种破坏形式计算结果
工 !#
况
!max / Mpa
来自百度文库
"1 / "2 / 破坏 计算荷 mm mm 情况 载工况
1 2" 0 175
148 72 ! = 3 " 工况二
2 4" " 23（5 已有 21 根杆件屈服） 160 77 ! = 5 " 工况二
3 5" 2 " 23（5 已有 9 根杆件屈服） 158 77 ! = 6 " 工况二
1概述 目前，国内火电厂所使用的干煤棚大都为三心圆柱面双
层网壳。这种结构两端开口、两侧边落地支承，结构外形比 较贴近工艺界面，能较好地适应工艺要求。同时用钢量亦较 低，一般在 40 ~ 60kg/m2 ，经济效益好。但在使用过程中也出 现了一些问题，主要是堆煤失控，超出设计堆煤区范围，甚至 堆到支座部位。支座与杆件长期受到煤堆挤压，易使支座附 近的杆件严重腐蚀；铲运不规范，杆件受到铲运机械的撞击， 严重时出现部分杆件断裂。由于以上种种原因出现杆件破 坏，影响到结构的安全使用。其中比较严重的如 2000 年湖 南某干煤棚在使用 5 年后发生整体倒塌事故［1（］ 图 1a）。事 后调查发现此结构在当年安装时即因违反操作规程施工致 使支座产生滑移，后虽经检修复位，却使一些伸入节点的高 强度螺栓受损而出现裂纹，在使用过程中又将煤长期堆压在 支座节点与杆件上，经挖掘发现不少杆件早已锈蚀而脱离节 点，如此“病态”网壳还能够支撑 5 年已属不易。江西某电厂 干煤棚因堆煤失控致使大量杆件为煤堆所压（图 1b），经挖开 发现两侧落地处有 80 多根杆件出现不同程度的破坏，有的