干煤棚柱面网壳结构的设计的几点建议

干煤棚柱面网壳结构的设计聂国隽钱若军（同济大学）

1前言

由于环保要求和建设用地的严格控制,煤炭的散堆方式必须被封闭储装方式所取代,所以干煤棚的建设近年来在我国蓬勃发展起来。干煤棚的建筑功能主要是大型的储存库房,所以它必须具有一定的储存和作业空间,即结构必须能满足一定的净空要求,而且它的有效使用空间的截面形状是梯形,作业空间的包络线接近弧形。干煤棚结构的长度和宽度是根据装机容量的需要来确定的,而其结构的高度则由堆煤和斗轮机的作业要求来确定[1] 。因此,干煤棚结构的特点是跨度大、高度高、且覆盖面积广。针对结构的这些特点,双层柱面网壳结构成了首选的结构形式。然而在这种功能特殊的结构中,双层柱面网壳结构的设计应注意哪些问题呢?本文就这一情况做了以下分析和比较。2结构几何外形和拓扑的选择和比较双层柱面网壳结构的分析和设计包括结构几何外形的拓扑的设计,结构的几何外形或拓扑是影响结构特性的一个极为敏感的因素,结构设计的过程应是寻求合理的结构外形和拓扑、合理的内力和内力分布、合理的刚度和刚度分布,且符合某种准则的过程[3]。如结构外形曲面选择不当,则结构的静力性状不佳且耗钢量增加。另外,结构曲面的展开面积过大,势必增加结构用钢量、屋面覆盖材料的用量及整个结构的耗能。通常,结构几何外形的选择服从于空间的需要且受到结构模数的制约

干煤棚柱面网壳结构常用的几何外形如图1所示。在结构几何外形选择时,一般是根据实际工程中的主要外荷及其作用的效应(长期或短期)以及其他影响因素,综合考虑来确定。当结构的几何外形为圆柱面(如图1(b)),且接近于合理拱轴线时,对正放类网壳结构在均匀分布的屋面恒荷载作用下,结构跨度方向的杆件内力分布比较均匀,弯曲对结构的影响较小;但如果不满足这些条件,则局部弯曲应力可能会变成主要应力而对结构局部产生较大影响。三心圆柱面网壳(如图1(c))与圆柱面网壳相比,一方面可提高空间的利用率,另一方面在风荷载作用下受力性能较好。在风荷载作用下三心圆柱面网壳呈现门式刚架(如图1(d))的受力性状,但在屋面荷载作用下它的受力却较不均匀。

2干煤棚结构的结构形式

可根据其长跨比来选择,当干煤棚结构的长度和跨度的比值大于15时,结构呈单向受力性状,选用正放类网壳较为经济,且该种结构形式还可以考虑抽空来提高结构的经济性,如江苏金东纸业干煤棚网壳[4],跨度为75m,长度为200m,采用正放抽空四角锥网壳,抽空后结构的总用钢量降低了2~3kg/m2;当结构的长度和跨度的比值小于1：5时,结构呈多向受力性状,选用斜放类网壳更利于荷载的传递,如嘉兴电厂干煤棚双层柱面网壳[1],跨度为103．5m,长度为88．0m,采用斜置正放四角锥网壳,取得了较好的经济效果。另外,在结构设计中应采取必要的构造措施,以提高和改善整个结构的承载能力。如:沿柱面网壳的纵向设置横膈,对柱面网壳的受力是非常有利的,它起到了加劲肋的作用,有效地防止柱面壳展开或伸开,保证柱面网

壳有足够的刚度和可靠的整体作用。适当地布置横膈可达到改善柱面网壳内力分布的目的,也可减少柱面网壳边界处的水平推力,横膈一般在柱面网壳的两端布置,当其纵向较长时也可在壳体中间布置。

3结构计算模型的选择和比较

双层网壳结构是曲面型的网格结构,兼有杆系结构和薄壳结构的固有特性,受力合理,可跨越较大空间,是一种性能优越的空间结构。网壳结构强度分析的方法一般是采用基于离散化假定的杆系有限元法,且一般静力分析均在线弹性范围内进行,而不考虑其材料和几何非线性。双层网壳结构的力学模型的选择主要取决于杆件端部各自由度方式上的约束程度,即杆件与节点的具体连接方式。当前,双层网壳结构的分析大多采用铰接的空间杆元模型或刚接的空间梁元模型,而在实际结构中,由于构造方面的原因,网壳节点的刚度往往介于理想的铰接和刚接之间。国内外学者对节点刚度对网壳结构内力和稳定的影响进行了广泛的理论分析和实验研究,研究结果表明,节点刚度对结构的内力分布和整体稳定性会产生巨大的影响,实际结构与假想为铰接或刚接所求得的结果明显不同,这种差别随着网壳型式不同而变化[3]。如螺栓球节点网壳的设计中,一般均采用铰接模型进行计算,但在结构的局部,实际受力情况和计算值有较大差别,这是因为,当结构的变形在克服节点连接处的间隙后,节点便不能自由转动,此时节点具有了一定的抗弯刚度,与假定的理想铰接模型不再相符,所以,在随后的荷载作用下节点处会产生次弯矩,从而使设计为受拉连接的高强螺栓受弯和受剪,大大降低了整个结构的承载能力。为此本文对干煤棚结构计算模型的选择作了一些比较。取一跨度为30m,长度为36m,拱高为5m的双层圆柱面网壳,在屋面荷载作用下,分别采用刚接计算模型和铰接计算模型进行了计算,沿结构跨度方向取一剖面,进行剖面上节点位移和杆件内力的比较,结果如图2所示。图2(a,b)表示刚接和铰接两种模型计算位移的比较,图2(c)表示刚接模型计算所得杆件弯扭矩,图2(d)表示

从图2(c)可以看出,刚接模型计算所得杆件弯曲扭矩与杆件轴力比较属于微小量,这主要是因为该算例的几何外形是圆柱面,接近于合理拱轴线,所以结构中以杆件轴力为主要内力,弯曲的影响较小。从图2(a,b,d)可以看出,两种计算模型所得出的结构位移曲线和杆件内力曲线差别均较大。按刚接模型计算,结构的位移和杆件内力均较小,但杆件除有轴力外,还有剪力、弯矩和扭矩的作用。这些差别主要是由于刚接模型对节点刚度的假定大于实际节点构造所能够提供的刚度,所以计算所得节点位移较小,同时,采用刚接模型计算时,一般并未计及轴向变形、弯曲变形和扭转变形的耦合作用,当构件承受弯、剪、扭和轴向力的联合作用时,所有位移、内力均是采用迭加的方法求得,但在大跨度、大变形结构中,耦合效应是不容忽略

的。所以,按刚接模型计算是偏不安全的。而采用铰接模型计算时,则认为节点不具有任何抗弯刚度,但实际节点的构造是允许完全自由转动的,当实际节点的构造不具有足够的转动量,则节点处将产生弯矩,使受拉的高强螺栓受剪或受弯。所以,在干煤棚结构设计中,采用铰接计算模型整体计算后,必须作局部修正,以考虑局部次应力的影响。另需指出,在干煤棚结构的设计中,单元的选取一般是根据结构自然的几何拓扑关系来确定的。但在实际结构中总是存在长短不一的杆件,这样以一根杆件作为一个单元,则各单元的计算精确就不同,使得整个结构的设计精度下降。解决这个问题的最好的方法便是采用自适应有限元法进行分析,这样通过网格的自动细分,来提高整个结构的分析精度。

4支承条件及支座节点的力学模型假定

干煤棚柱面网壳结构的支承条件与支座节点的力学模型的假定是结构设计的重要组成部分[3],支座节点的自由度数和约束程度,必须与实际结构的支座形式和支承条件相一致,否则整个结构设计的安全性、经济性均得不到保证。在实际结构设计中,对于不同形式的下部支承结构,应做恰当的约束条件假定。干煤棚结构常用的支承结构如图3所示

图3(a)表示网壳支承于框架柱,图3(b)表示网壳支承于梁,图3(c)表示网壳支承于基础梁。这三种不同的下部结构将对煤棚结构产生不同的约束程度。当干煤棚结构支承于连续地基梁时,因地基梁刚度较大,变形较小,可假定为理想的三向固定约束;当干煤棚结构支承于框架柱时,因框架柱具有一定的高度,可发生一定的侧向变形,所以应假定为弹性支承,而弹性支承刚度的大小要根据具体情况经过计算而定;当干煤棚结构支承于梁时,情况同框架柱相似,需计算支承刚度。

另一方面,对于不同形式的支座节点构造[5],应做恰当的节点计算模型假定。当结构采用平板支座时,因支座球焊于加劲板,加劲板又焊于支座底板,而支座底板与预埋件之间紧密相连,所以支座节点的转动变形受到约束,节点的受力接近于6个自由度刚接节点,理想的假定应为刚接点或半刚接节点;当结构采用板式橡胶支座时,依靠橡胶的剪切变形,支座节点可有一定的转动量,接近于铰接节点,计算时可以假定为3个自由度节点;当结构采用球铰支座或弧形支座时,支座节点允许单个方向或多个方向的自由转动,支座节点或可假定为5个自由度、4个自由度或3个自由度的理想铰接节点。

5荷载工况和荷载效应

在干煤棚网壳结构的分析中,风荷载的确定是很重要的。但由于风载分布强度除了取决于壳体的矢跨比外,还与相邻建筑物、网壳型体及其上的孔口与表面粗糙程度等有着密切的关系,所以精确地给出风荷载的分布是比较困难的。从目前已竣工的工程的风洞试验结果可知,不同的结构几何外形其风压的分布规律也相差较远[2,4],所以鉴见已有工程的风洞试验结果仅能用作初步分析,对于大跨度、复杂型体的网壳结构,最后的设计必须根据风洞试验取得的数据[3]。大面积堆载是干煤棚结构特有的外荷载,它所引起的基础变形,可能会改变整个结构的受力状态。另一方面,这种荷载对结构的作用是长期效应,受多种因素的影响,设计中精确计算较为困难,所以应采取适当的措施予以减小它的影响,如加载预压等。