108米跨度干煤棚三心圆柱面网壳研究与设计

益阳电厂75´108

正放

四角锥螺栓球

下弦

支承

Ø180

´12

Ø 24044 2000

本工程108´90

正放

四角锥螺栓球

上弦

支承

Ø159

´10

Ø 26044 2001

二、结构形式和几何尺寸确定

2．1 结构形式确定

柱面网壳中使用的网格形式通常有正放四角锥形式，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，在两边开口处杆件内力集中。正放四角锥形式通过跨向的弦杆将力直接传递到附近的支座，传力路径直接明确。因此，本工程采用正放四角锥形式。

2．2 几何参数确定

鸭河口电厂干煤棚采用三心圆柱面网壳形式。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。

(a)总平面图 (b)正立面图

侧立面图

图1 干煤棚结构几何尺寸

三心圆柱面网壳的受力性能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）和网壳厚度等。这些几何参数的变化导致网壳技术、经济指标有规律的变化。当一个几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

矢高内力峰值挠度水平推力用钢量

跨向网格尺寸a增大增大减小减小减小增大

跨向网格数N增大增大减小减小减小增大

落地角b增大增大减小减小增大减小

网壳厚度h增大减小减小增大增大

在煤棚的结构设计中，斗轮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。

依照参考文献2的方法，对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，小圆半径r=37.4996米，圆弧夹角54.34°，网格数为9格；落地角为5°；网壳厚度为3.5米。

2．3 支座位置的选择

落地柱面网壳结构通常有三种支承方式：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。

上弦支承与下弦支承相比，内力峰值减少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，由于在支座处限制角位移，产生较大的弯矩作用，并且对于支座的侧向移动十分敏感，支座附近的杆件

和螺栓容易产生附加应力。根据计算，当支座产生50mm的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，双排支承增大了承台面积，增加基础的工程造价。

因此，本工程中采用上弦节点支承。

表3 上弦支承和下弦支承结构技术、经济指标的比较

杆件最大压力 (kN)

杆件最大拉

力(kN)

支座竖向力(kN) 支座水平力(kN) 杆件用钢量（t）

上弦支承-710 608 810 516 357

下弦支承-1065 601 807 449 363

双排支承-1003 856 957.7 681.6 325

2．4 柱面网壳构造处理

在设计中支座沿纵向间隔布置，并将上弦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

如此构造处理产生比较好的效果，主要有以下三点：

（1）被抽空的上弦节点处受力很小，相连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，会产生不必要的附加内力，对网壳受力性能产生负面影响，所以这些节点和杆件应去掉为好。

（a）抽空非支座上弦节点 (b)不抽空非支座上

弦节点

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，抽空节点后添加的两根上弦杆分担了一部分力，降低了杆件内

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。

三、荷载分析和结构受力特性

3．1 风荷载体型系数的分布

该煤棚结构体型巨大，风荷载是结构的主要荷载。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°的水平风荷载下的体型系数作为设计的依据。但通过风洞试验的数据分析，表明在不同的水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，结构受力往往更加不利。与以上两个参数相比，有无堆煤对结构的影响不大。为了更加真实反映结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，对应的体型系数见表4。

图4 体形系数区域划分

表4 风荷载体型系数

风荷载与结构夹角

ⅠⅡⅢⅣⅤ

a b c a b c a b c a b c a b c

90° 1.1 0.5 -0.6 -0.3 -0.2

75°、

60°

1.2 1.2 0.9 0.5 0.1 -0.1 -0.5 -0.7 -0.5 -1.2 -1.1 -0.6 -1.5 -1.0 -0.5

45°、

30°

1.0 0.8 0.5 0.7 0.4 0.2 -0.2 -0.4 -0.4 -1.4 -0.9 -0.5 -1.4 -0.8 -0.4

15°0.9 0.5 0.3 0.8 0.4 0.2 0.6 0.2 0.1 -0.5 -0.1 0.1 -0.7 -0.2 -0.1

3．2 结构受力特性

由于结构两边支承两边开口，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。