圆形平面干煤棚结构形式及受力性能研究

ＤＯＩ:１０􀆰７６７２/ｓｇｊｓ２０２００８００９２

ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

施　工　技　术

第４９卷　第８期

２０２０年４月下

圆形平面干煤棚结构形式及受力性能研究

陈　婷１ꎬ李竞远２ꎬ谢伟烈２ꎬ乔支昆１ꎬ尹新伟１

(１.大唐环境产业集团股份有限公司ꎬ北京　１０００９７ꎻ２.清华大学土木工程系ꎬ北京　１０００８４)

∗

[摘要]介绍多种适用于圆形平面干煤棚的结构新形式ꎬ并归纳为刚性屋盖结构、杂交屋盖结构和柔性屋盖结构ꎮ分别对其受力机理和施工技术要点进行论述ꎬ并针对张弦式穹顶屋盖结构进行算例分析ꎬ提出最优索盘布置参数ꎮ[关键词]钢结构ꎻ干煤棚ꎻ圆形平面ꎻ受力机理ꎻ施工技术[中图分类号]ＴＵ３９３􀆰３

[文献标识码]Ａ

[文章编号]１００２￣８４９８(２０２０)０８￣００９２￣０５

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＦｏｒｍｓａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ

ＣｏａｌＳｔｏｒａｇｅＳｈｅｄｗｉｔｈＣｉｒｃｌｅＰｌａｎ

ＣＨＥＮＴｉｎｇ１ꎬＬＩＪｉｎｇｙｕａｎ２ꎬＸＩＥＷｅｉｌｉｅ２ꎬＱＩＡＯＺｈｉｋｕｎ１ꎬＹＩＮＸｉｎｗｅｉ１

２.ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００８４ꎬＣｈｉｎａ)(１.ＤａｔａｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＩｎｄｕｓｔｒｙＧｒｏｕｐＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００９７ꎬＣｈｉｎａꎻ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｖａｒｉｅｔｙｏｆｎｅｗｆｏｒｍｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｃｉｒｃｕｌａｒｐｌａｎｃｏａｌｓｔｏｒａｇｅｓｈｅｄꎬａｎｄｓｕｍｓｔｈｅｍｕｐａｓｒｉｇｉｄｒｏｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｈｙｂｒｉｄｒｏｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｆｌｅｘｉｂｌｅｒｏｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｋｅｙｐｏｉｎｔｓｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙꎬａｎｄｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ.０　引言

自对干煤棚提出全封闭要求以来ꎬ涌现出形式各异的封闭煤棚结构ꎬ从早期用钢量较高的平面结构体系ꎬ到整体性更好的空间网格结构体系ꎬ再到更为轻巧的索结构体系ꎬ为更好地实现干煤棚结构储藏、运输等功能需求ꎬ要求其能覆盖较大空间ꎬ同时保证一定净高ꎮ随着设计人员对结构形式理解的加深及施工技术的不断进步ꎬ封闭干煤棚结构在满足承载力及工艺要求的同时ꎬ也变得更加经济、１　圆形平面刚性屋盖结构１􀆰１　结构形式

刚性屋盖结构由刚性构件(如梁、柱、杆件等)组成ꎬ依赖构件截面刚度及几何位形关系提供整体结构刚度[１]ꎮ将图１ｂ中平面桁架绕对称轴旋转１周ꎬ主桁架之间填充屋面网格ꎬ即可得到一种圆形

∗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]陈　婷ꎬ研发主管ꎬ工程师ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｃｈｅｎｔ＠ｄｔｅｇ.ｃｏｍ.ｃｎ[收稿日期]２０１９￣１２￣１２

ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｅｘａｍｐｌｅｏｆｃｈｏｒｄｔｅｎｓｉｏｎｄｏｍｅｒｏｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄꎬｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｃａｂｌｅｔｒａｙｌａｙｏｕｔＫｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｔｅｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎻｃｏａｌｓｔｏｒａｇｅｓｈｅｄꎻｃｉｒｃｌｅｐｌａｎꎻｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍꎻｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ

平面刚性屋盖结构ꎬ如图１所示ꎮ主桁架与边柱铰支ꎬ上弦支承ꎬ截面采用变高度设计ꎬ屋盖中部弯矩较大位置适当提高主桁架截面高度ꎬ屋盖四周弯矩较小位置适当降低主桁架截面高度ꎬ更加经济地满足承载力要求ꎬ圆形屋盖中部微耸起形成草帽状ꎬ十分美观ꎮ

美观ꎮ

图１　一种圆形平面刚性屋盖结构

荷载通过屋面网格结构传至主桁架ꎬ主要表现为主桁架杆件中的轴力ꎬ主桁架最终将荷载传至四周边柱上ꎮ屋盖外围可布设圈梁ꎬ进一步增加屋面结构整体性ꎬ同时限制屋面结构在荷载作用下可能产生的径向变形ꎬ减小柱弯矩ꎮ

２０２０Ｎｏ.８陈　婷等:圆形平面干煤棚结构形式及受力性能研究　９３

当对屋面排水有进一步要求时ꎬ可采用图２所示三角形或拱形主桁架形式ꎬ进而形成尖屋顶或拱顶ꎬ增加屋面坡度ꎮ此时圈梁作用十分重要ꎬ如三角形主桁架ꎬ中部和两端节点均为铰接ꎬ与圈梁配合才能形成平衡体系ꎮ同时ꎬ三角形或拱形主桁架在脚部会产生较大水平推力ꎬ也需由圈梁平衡ꎬ否则会对边柱造成过大负担ꎮ在屋面自重或雪荷载作用下ꎬ圈梁受拉ꎻ在风吸力作用下ꎬ圈梁受压ꎬ边柱均主要承受轴力ꎮ

图３　一种圆形平面杂交屋盖结构

图２　三角形、拱形主桁架屋盖结构

１􀆰２　施工技术选择

适用于圆形平面刚性屋盖结构的施工技术较多ꎬ如高空散装法、整体提升法或整体顶升法等

[２]

其中ꎬ高空散装法最常见ꎬ适应性也最强ꎬ但通常需ꎮ

大规模搭设脚手架ꎬ施工速度慢ꎻ整体提升法和整体顶升法ꎬ减少了高空作业ꎬ提高了施工速度ꎬ但需配备专业设备ꎬ且应注意保证施工过程中结构的承载力和稳定性要求ꎮ工程实践中可根据具体技术条件和场地情况选择合适的施工技术ꎮ

２　圆形平面杂交屋盖结构２􀆰１　结构形式

刚性屋盖结构由于需依赖截面特性抵抗弯矩ꎬ所以构件尺寸较大ꎬ自重产生的内力占比也较大ꎮ合理地引入拉索进而形成刚￣柔结合的杂交结构

[３]

一方面可由拉索张拉形成的几何刚度减小刚性构ꎬ

件截面弯矩及其尺寸ꎻ另一方面拉索形成的空间受力体系也有利于增加结构整体性ꎮ拉索全截面受拉ꎬ材料利用率高ꎬ且不存在受压刚性构件的失稳问题ꎬ其本身也是一种经济、高效的结构构件ꎮ

如图２ａ所示三角形主桁架刚性屋盖中引入辐射拉索和飞柱ꎬ即可获得一种圆形平面杂交屋盖结构ꎬ如图３所示ꎮ其中ꎬ飞柱上端与刚性主桁架铰接ꎬ拉索连接刚性主桁架外檐与飞柱下端ꎮ对拉索施加预应力后ꎬ屋盖结构刚化形成自平衡体系ꎬ拉索对飞柱提供顶升力ꎬ支起屋盖ꎬ同时也能部分替代圈梁作用ꎬ平衡主桁架脚部水平推力ꎬ圈梁更多地用来提高结构整体性ꎬ尺寸可大大减小ꎮ

弦支穹顶结构也十分适合构建圆形平面干煤棚屋盖ꎬ由日本学者川口卫(Ｍ.Ｋａｗａｇｕｃｈｉ)率先提出[４]柔性拉索ꎬ其构成包括上层刚性球面网壳及下层撑杆和ꎬ根据刚性球面网壳布置形式ꎬ弦支穹顶

结构可分为肋环型、葵花型和凯威特型等[５]度来源于刚性球面网壳和拉索ꎬ并以上部刚性球面ꎮ其刚网壳为主ꎬ下部索撑体系起到弹性支承作用ꎬ可减小刚性网壳中的弯矩ꎬ减小刚性构件尺寸ꎬ降低屋

盖自重ꎮ

索撑体系可在刚性网壳下方满布ꎬ同时ꎬ由于刚性网壳本身具有一定的独立承载能力ꎬ也可根据受力特点及工艺要求间隔布置索撑ꎬ如图４所示ꎬ能获得较好的经济性ꎬ并营造出更加简洁、通透的建筑效果ꎮ

图４　间隔布置的弦支穹顶结构

施加预应力后弦支穹顶结构刚度得到有效提升ꎬ屋盖与边柱铰接ꎬ荷载作用下边柱主要承受轴力ꎬ拱形屋盖水平推力主要由环形拉索平衡ꎮ

以双索盘车辐拱为承力主体构建圆形平面干煤棚结构也不失为一种好的选择ꎮ在拱形钢结构内部设置拉索ꎬ可大幅提高钢拱刚度和承载力ꎬ并降低其对于平面内反对称几何初始缺陷的敏感性ꎬ通过使用双索盘优化拉索的布置形式ꎬ又可有效增加室内可利用空间[６]如图５所示ꎬ主构件双索盘车辐拱沿圆形平面

ꎮ

径向分布ꎬ水平拉索环向串联ꎬ相邻钢拱之间填充三角形网壳ꎬ形成一种张弦式穹顶结构ꎮ由于优化了拉索布置形式ꎬ不会侵占较大室内空间ꎬ结构也可直接落地ꎬ而无需边柱支承ꎮ主体结构与地面支座铰接ꎮ

２􀆰２　施工技术要点

杂交屋盖结构由于涉及拉索张拉ꎬ施工过程更　９４施工技术第４９卷

杆下端环索和斜索对撑杆提供向上支撑ꎬ进而形成竖向力平衡ꎬ水平面内的张拉场通过由内向外的层层嵌套ꎬ最终传递至外围受压环上ꎬ形成完整的自平衡受力体系ꎮ屋盖与边柱铰接ꎬ边柱主要承受图５　张弦式穹顶结构

复杂ꎬ也最能体现施工与设计的不可分割性ꎮ首先ꎬ杂交结构在不同建设阶段处于不同状态ꎬ通常可分为零应力态、初始态和荷载态[５]时ꎬ结构处于零应力态ꎻ拉索张拉至目标值后ꎮ拉索未张拉ꎬ结构处于初始态ꎻ在初始态的基础上施加荷载后即达到荷载态ꎮ正确把握不同杂交屋盖结构形式在不同状态下的受力特点ꎬ是制定出安全、经济施工方案的基础ꎮ

对于大部分杂交屋盖结构ꎬ刚性构件刚度均较大ꎬ故可忽略拉索张拉引起的构件变形ꎬ而依据初始态尺寸对构件进行加工、安装ꎬ如图４ꎬ５所示弦支穹顶屋盖结构和张弦式弯顶结构ꎮ而对于图３所示三角形主桁架屋盖结构ꎬ由于其成型很大程度上依赖拉索预应力ꎬ选择依照零应力态的几何尺寸进行加工、安装更加合适ꎮ

刚性结构部分是杂交屋盖骨架ꎬ适宜首先完成拼装ꎬ之后可选择在地面完成张拉并整体提升就位ꎬ或先安装好刚性结构再进行穿索张拉ꎮ拉索预应力施加通常不是一次性完成ꎬ要依据结构形式特点分级施加、分批张拉ꎬ并与荷载施加同步进行ꎬ保证刚性构件在整个张拉过程中处于弹性状态ꎮ

此外ꎬ施加的预应力应使拉索在屋盖受风吸力作用时不松弛ꎬ避免出现结构刚度突变ꎮ

３　圆形平面柔性屋盖结构３􀆰１　结构形式

柔性屋盖结构以柔性拉索为主体ꎬ辅以少量受压刚性构件ꎬ刚性构件不再具有独立承载能力ꎬ整体结构需张拉才能成型ꎮ索穹顶结构是一种常见的圆形平面柔性屋盖结构ꎬ其理念最早由Ｒ.Ｂ.Ｆｕｌｌｅｒ提出[７]构ꎬ具有建筑造型轻盈ꎬ多用于体育场馆、节省钢材等优势ꎬ也同样适用于干煤棚结[８]索布置形式ꎬ索穹顶可分为肋环型、肋环斜杆型ꎮ按拉、联方型、凯威特型、施威德勒型等[５]以肋环型索穹顶为例对其受力机理进行分析ꎮ

ꎬ

一种典型肋环型索穹顶结构如图６所示ꎮ张拉完成后ꎬ撑杆上端斜索和脊索向撑杆传递向下的力ꎬ撑

轴力ꎮ

图６　肋环型索穹顶屋盖结构

一种典型车辐式柔性屋盖结构形式如图７所示ꎬ径向布置拉索分上、下２根ꎬ一端向内连接于飞柱上、下索盘ꎬ另一端向外连接于边柱外压环上ꎬ拉索张力与外压环压力平衡ꎮ外压环可采用矩形或圆形截面ꎬ实腹式或格构式形式ꎬ纯钢结构或内填混凝土形成组合结构ꎮ当采用矩形截面外压环时ꎬ截面强轴应水平放置ꎬ以充分利用截面刚度ꎮ

图７　“外凸”的车辐式柔性屋盖结构

车辐式柔性屋盖结构如图７所示ꎬ径向布置的上、下２根拉索之间使用撑杆构造屋面外凸的造型ꎬ也可使用拉索构造屋面内凹造型ꎬ效果如图８所示ꎬ该车辐式柔性屋盖结构采用圆形截面外压环ꎮ

图８　“内凹”的车辐式柔性屋盖结构

车辐式柔性屋盖结构构成方式灵活ꎬ外压环形

２０２０Ｎｏ.８陈　婷等:圆形平面干煤棚结构形式及受力性能研究　９５

式多种多样ꎬ辐射拉索的布设也可根据外压环形式、建筑造型需求及工艺要求等做相应变化ꎮ一种采用三角形格构式外压环车辐式柔性屋盖结构如图９所示ꎬ三角形截面格构式外压环与边柱铰接时ꎬ由于其在受压收缩时ꎬ可通过截面转动代替锚固点收缩ꎬ故可最大限度地减小柱端弯矩ꎬ使边柱设计更经济ꎮ当采用这种外压环形式时ꎬ辐射拉索外围与外压桁架三角形截面的２个节点相连ꎬ在竖直向荷载作用下ꎬ上部拉索拉力增加ꎬ下部拉索拉力减小ꎬ将带动外压桁架上方未锚固的２根弦杆受压收的情况下进行精准设计ꎬ现场直接张拉至锚固点即４　张弦式穹顶平面屋盖结构性能分析

为更全面地展现所提出新型封闭煤棚结构的力学性能ꎬ以张弦式穹顶圆形平面屋盖结构为例ꎬ进行全跨和半跨竖向均布荷载作用下的二阶弹性承载力分析ꎬ通过与相应无索模型进行对比ꎬ揭示拉索对结构受力性能的改善ꎬ并通过参数分析ꎬ研究索盘位置变化对承载力的影响ꎬ给出最优索盘位置参数ꎮ

达到设计索力ꎬ更加经济高效ꎮ

缩ꎬ进而引起截面转动ꎬ而与边柱铰接的弦杆则不会有较大变形ꎬ使屋面荷载作用对边柱的不利影响降到最低ꎮ

图９　一种三角形格构式外压环车辐式屋盖结构

３􀆰２　施工技术要点

柔性屋盖结构刚度及承载力依赖张拉所形成的预应力ꎬ在张拉完成前结构为几何可变体系ꎬ几何位形与内力之间极强的耦合关系给施工带来许多困难[９￣１０]难以把握ꎻ另一方面ꎮ一方面ꎬꎬ索与索之间互相关联缺少刚性构件约束ꎬ结构ꎬ变动任“形”意１根索的索力都会对其他索的索力产生影响ꎬ结构的“力”难以控制ꎮ这对施工队伍的专业素质及施工方案的科学合理性提出较高要求ꎮ

鉴于柔性屋盖结构复杂性ꎬ一次性张拉到位十分困难ꎬ且易造成结构局部受力过大ꎬ与荷载施加相适应的分级、分批张拉为更加合理、更加安全的方法ꎮ在张拉过程中ꎬ张拉量的衡量标准ꎬ即以索力还是以位形为依据进行张拉ꎬ则要结合结构形式与施工方案综合考虑ꎮ由于索力测量的技术更方便、成熟ꎬ现阶段工程实践中多以索力测量方法为主ꎬ施工过程中反复调整各索索力ꎬ逐步逼近设计值ꎬ当结构形式更加复杂时ꎬ这种方法将变得十分繁琐ꎮ

对于复杂张拉结构ꎬ定尺定长设计和施工技术

具有明显优势[１１]无需反复调节拉索长度以修正索力ꎮ采用定尺定长法时ꎬ每根拉索长度ꎬ施工过程中均考虑了在结构刚度、索长误差、温度变化等影响

４􀆰１　模型信息

采用有限元软件ＡＮＳＹＳ建立结构计算模型ꎬ考虑几何非线性对其进行二阶弹性承载力分析ꎮ模型跨度Ｌ＝７５ｍꎬ计算中取矢跨比０􀆰４ꎬ０􀆰５ꎮ拉索布置形式如图１０所示ꎬ钢拱拱脚与支座铰接ꎮ模型中刚性构件均为圆钢管ꎬ采用ｂｅａｍ１８８单元模拟ꎬ其弹性模量为６１０ｍｍ３２３􀆰×２０ｍｍꎬ２０６ＧＰａꎮ环梁及单层网壳杆件截主构件钢拱部分截面尺寸为模拟９ｍｍꎬ其拉伸模量为×１０ｍｍꎮ拉索采用只拉不压的１９０ＧＰａꎬ截面面积取为钢拱截ｌｉｎｋ１０面尺寸单元为面面积的５％ꎮ取网壳最低阶屈曲模态作为结构几何初始缺陷ꎬ缺陷幅值为Ｌ/３００ꎮ此外ꎬ计算中不考虑对拉索施加预应力的情况ꎮ图１０　拉索布置形式

４􀆰２　承载力分析

全跨和半跨竖向均布荷载作用下张弦式穹顶屋盖模型(水平环索高度ｈ＝０􀆰８Ｈꎬ直径ｄ＝０􀆰３Ｌ)和相应的无索模型的荷载￣位移曲线如图１１所示ꎮ其中纵坐标均为荷载集度ｑ与无索屋盖模型的弹性稳定承载力ｑｅꎬ０的比值ꎬ横坐标为失稳时位移最大点对应的矢量位移幅值ꎮ可以发现ꎬ在全跨和半跨荷载作用下ꎬ相比于无索模型ꎬ有索模型承载力均有４０％所提高~６０％ꎮꎬ矢跨比同时０􀆰４ꎬ０􀆰５承载力增幅分别为２０％ꎬ

显著ꎬ当外荷载达到ꎬ设置拉索对结构刚度的提升也较ｑ时ꎬ张弦式穹顶屋盖模型最大位移仅为无索模型的ｅꎬ０(无索模型的极限承载力)２有效/５左右ꎮ

ꎮ这表明ꎬ设置拉索对控制结构变形十分４􀆰３　索盘位置影响

全跨和半跨荷载作用下ꎬ不同索盘位置的张弦式穹顶屋盖模型对应的承载力曲线如图１２所示ꎬ其　９６施工技术第４９卷

和施工技术更具优势ꎮ最后ꎬ对张弦式穹顶屋盖结构进行算例分析ꎬ提出最优的索盘布置参数ꎮ

参考文献:

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“ｓｕｓｐｅｎｄｏｍｅ”

[Ｃ]//Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ

ｏｆ

ＩＡＳＳ

图１１　张弦式穹顶模型和无索模型的

荷载￣位移曲线

中ꎬ纵坐标为张弦式穹顶屋盖模型和无索模型的弹性稳定承载力比值ꎮ由图１２可知ꎬ当矢跨比为０􀆰４时ꎬ索盘位置变化对模型弹性稳定承载力的影响较小０􀆰ꎬ８ꎬ当矢跨比为ｄ/Ｌ＝０􀆰２~０􀆰０􀆰５４时时ꎬꎬ影响更明显模型承载力较高ꎮ当ｈꎬ/且承载力

Ｈ＝０􀆰７~幅值差异较小ꎬ同时考虑结构使用的净空要求ꎬ建议选取ｈ/Ｈ＝０􀆰８ꎬｄ/Ｌ＝０􀆰３~０􀆰４ꎮ

图１２　索盘位置对张弦式穹顶模型弹性

稳定承载力的影响曲线

５　结语

本文介绍多种适用于圆形平面干煤棚的结构新形式ꎬ并就其受力机理和施工技术要点进行论述ꎮ单纯由刚性构件组成的刚性屋盖结构ꎬ其设计和施工方法较常规ꎬ但往往结构自重较大ꎬ合理地引入拉索形成杂交屋盖结构或柔性屋盖结构ꎬ可起到优化受力、节省材料的效果ꎮ在杂交屋盖结构和柔性屋盖结构设计和施工过程中应特别注意考虑结构“形”与“力”的平衡要求ꎬ制定科学、高效的拉索张拉方案ꎬ特别对于复杂张拉结构ꎬ定长索设计

[５]　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍꎬ１９３３.

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