120m×210m大型柱面网壳的设计与施工

１２０ｍ×２１０ｍ大型柱面网壳的设计与施工
罗尧治
沈雁彬
邱
鹏
杭州
孙旭光
３１００２７）
（浙江大学空间结构研究中心
摘要北京华能电厂干煤棚跨度为１２０米．是目前国内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、施工方案等方面进行详细的研究并给出比较确切的风载体型系数。根据干煤棚结构的 特点，结合作者以往的设计经验和相关课题的研究成果．阐述了煤棚设计和实际使用中应注意的问题，并提出 一些重要的建议。
—１３８．Ｏ 一３３９．２ —１ ６６．９ —１３３．Ｏ 一３３９．５ —１ ６９．２ —１３４．０ —３４３．１ —１６９．４ Ｓ１４ Ｘ１４
—１３４．９ ——３４３．９ Ｓ２３ Ｘ２３
ＭＳｌ７
Ｓ１７
Ｘ１ ７
Ｍ￥２０
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Ｘ２０
ＭＳ２３
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——２３８．６
—８１．８
—１２２．４
—２３７
２．２几何参数确定
结构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。 三心圆柱面网壳的受力性能与体型有密切的关系。决定三心圆柱面体型的几何参数主要有‘¨：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、经济指标有规律地变化。当一个几何参数增大而其他参数不变时，各项技术、经 济指标的变化趋势如表ｌ所示。
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关键词：干煤棚
三心圆柱面网壳结构设计体型系数
滑移法施工
１
概
述
干煤棚是火电厂中存储煤的一种大型库房。干煤棚结构要求跨度大、净空高，而且根据堆煤及斗轮 机作业要求，必须满足存储和作业空间，因此在体型上有相应的要求。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、平面拱以及柱面网壳结构。根据已经建成的干煤 棚结构的技术经济指标的比较，柱面网壳具有明显的优势，目前已成为干煤棚结构的主要结构形式。 北京华能电厂干煤棚设计跨度１２０米，长度２１０米，煤棚一端设山墙，一端敞开，结构采用正放四角 锥三心圆柱面双层网壳的结构形式，是目前国内跨度最大的三心圆柱面网壳结构。
１２０ｍ×２１０ｍ大型柱面网壳的设计与施工
２０１
（ａ）上弦内力图
（ｂ）下弦内力图 图４竖向荷载作用下结构内力变形图
（ｃ）结构变形图
（ａ）上弦内力图
（ｂ）下弦内力图 图５风荷载作用下结构内力变形图
（ｃ）结构变形图
４施工分析
４．１施工方案 网壳结构施工采用单元累积滑移法，在网壳结构的西侧１，－－，３轴位置搭设２０米宽满堂脚手架作为 网壳结构小单元拼装的拼装平台，以３个网格为一滑移单元。每次滑移１２．６ｍ，安装３个网格后继续滑 移，如此循环，直至完成所有网格的安装。由于三心圆柱面网壳的水平推力较大，故在滑移时设置水平滑 轨来抵抗网壳在施工时的水平推力。 ４．２杆件编号 选取每个阶段单元中跨中上弦杆和支座上弦杆和三心圆１／４处下弦杆作为分析研究对象，如图６
２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。
—８５．４
—８１
—２１１．９
—６１．１
—７０．３
—１４７．２
最大内力 计算值
一１６９．５ —１ ３４．８ —３４３．９ —１６９．４ —１３４．５ —３４３．１ —１６８．Ｏ 一１３３．２ —３３９．４ —１ ６１．１ ～１３６．６ ——３３９．１
４．４施工工艺对结构最终受力状态的影响分析 由计算结果发现，结构最终成形后，结构施工结束后的受力和变形是和设计状态不一致的，有可能 小于设计值，也有可能大于设计值，这说明结构的成形和施工过程是密切相关的，不同的施工方法、不同 的施工工艺都会导致结构最终受力的不同。除了全支架安装法结构最终受力能和设计状态的受力比较 相近外，其他施工方法结构安装成形的最终内力都与设计状态有一定的偏差。下面就施工工艺对结构最 终受力状态的影响进行了研究。 为表征结构施工成形后结构参数和设计状态的相差幅度，定义结构施工附加内力系数】７，设施工完 成后某个结构参数值为Ｆ（可以是内力、挠度、支座反力等结构参数），设计的理论值为Ｒ（静荷载工况下 计算值），则ｊ７可以表示为：
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２００
结构与地基新进展
在煤棚的结构设计中，斗轮机的工作范围是决定体型的重要因素，研究表明Ⅲ，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４．５米；跨向网 格数为３７格，其中大圆的半径Ｒ＝８０．９２２米，圆弧夹角７３．２６。，网格数为２３格，小圆半径ｒ＝２９．０２４ 米，圆弧夹角５３．３７。，网格数为６格；落地角为５。；垂直落地加１个网格；网壳厚度为３．８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。本 工程应设计要求采用上下弦节点支承。 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，双排支承对支座承台提出了更高的要求。
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３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，本结构一端有封闭山墙，体型更显特殊，所以进行风洞试验以确定体型系数。以往的柱壳设计 中，由于结构１／４对称，常常采用４种风向水平风荷载下的体型系数作为设计的依据。本结构由于１／２ 对称，须选取Ｏ。－－－－１８０。７种风向下的风荷载体型系数。体型系数区域划分见图３，对应的体型系数不详细
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从两者的挠度分布中．町“清楚地看到滑移施工对结构最终挠度的影响，成形后结构的挠度分市和 设计值有很＾不同，而且考虑滑移施工影响的结构的最终的最＾挠度达到ｒ设计值的ｌ ６倍。最人挠度 基本都出现在前后滑移单兀拼接的相邻处，尤其前几个滑移单兀的拼装处更加明显，这屉因为安装前儿 个滑移单元时，结构拼装完成的单元较少，整体刚度比较弱．后续安装单元对已完成单元的受力和变形 影响较大，施工产牛的不利影响也比较大，随着结构单元逐渐增加，结构的刚度也不断增加．后续安装单 兀对Ｂ完成结构的影响也相继碱小。
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式中盯，Ａ分别为材料允许应力和杆件面积，￡为过滤系数，此处取０．２。取两者的最大值是为了防止部 分零杆内力较小使ｊ７趋于无穷大而失去意义。７大于零表示施工成形后的结构参数要大于设计理论值， 叩小于零表示施工成形后的结构参数要小于设计理论值。 表３列出部分杆件施工完成后的内力与静荷载工况下的计算值的比较，图６为结构施工完成后的 挠度和设计挠度的比较。 从表中的数据可以发现，大部分杆件的７值小于零，小于计算理论值，表明结构大部分单元的内力 是在设计值的控制范围内的。但表中也出现局部杆件的７值大于零的现象，这说明滑移施工对结构部分 杆件产生的附加内力是不利的，而且是超出设计值的。
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图３体型系数区域划分
３．２结构受力特性 由于柱面网壳结构基本为两边支承，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４、图５分别是结构在竖向荷载作用下和某风荷载作用下（取９０。夹角为例）的内力变形图。 通过内力和位移的比较可以看出，在风荷载作用下，结构的内力分布和位移有很大的差异，杆件内 力出现拉压反号。
表２滑移施工中最大内力与静荷载工矿下计算值比较（ｋＮ） 杆件编号
施工中
一１０２．３ —９６．１ —２５２．９
ＭＳ２
Ｓ２
Ｘ２
ＭＳ５
Ｓ５
Ｘ５
ＭＳ８
Ｓ８
Ｘ８
ＭＳｌｌ
Ｓ１１
Ｘ１１
—９８．７
—８５．７
——２７０．３ —１０３．２
—８３．８
—２６９．３
—９９
—８３．３
Baidu Nhomakorabea
—２５７．１
最大内力
计算值
杆件编号 施工中
一１５１．２ ＭＳｌ４
ＭＳ．
图６杆件和节点的编号
２０２
结构与地基新进展
所示，ＭＳ／表示第ｉ个网格跨中上弦杆，Ｓｉ表示第ｉ个网格支座位置上弦杆，ｘｉ表示ｉ个网格三心圆网 壳１／４跨处下弦杆。ｆｉ表示第ｉ个网格跨中挠度。Ｆｚｉ和Ｆｙｉ分别表示第ｉ个支座的竖向反力和水平反 力。 ４．３计算结果分析 由计算结果可以发现，施工过程中，杆件内力、挠度、支座反力等结构参数都是处于不断的变化中。 大多数情况下杆件内力、挠度、支座反力等结构参数在施工过程中的最大值都要比理论值（按施工 荷载作用计算）小，但也有若干杆件的施工内力要比理论值大，如杆件Ｘ５、Ｘ１１。 表２对结构滑移施工中的杆件最大内力和静荷载工况下的理论计算值做了比较，发现所有杆件滑 移中的最大内力值都比结构的静荷载作用下的内力值要小，说明滑移中结构的内力虽然是随施工阶段 变化的，但都是在理论计算的控制范围之内，滑移施工中的结构的安全性是可以保证的。