支座沉降对水泥工厂预均化库网壳性能的影响

新型干法水泥生产技术采用预均化库完成原料的预均化过程，随着水泥生产规模的不断扩大，水泥工厂预均化库的跨度日趋增大，目前圆形和矩形平面预均化库的跨度已分别达到96 m和60 m，使得预均化库屋盖网壳成为水泥工厂建设的重点工程之一，因此，如何在常规荷载效应分析的基础上，考虑地基不均匀沉降等特殊作用对预均化库屋盖网壳结构的影响，是保证水泥工程建设安全性的重要课题。

本文针对水泥工厂预均化库工程，以跨度86 m的双层球面网壳和跨度60 m的双层柱面网壳为例，采用通用有限元分析软件ANSYS建立预均化库屋盖网壳整体分析模型，分析支座不均匀沉降对网壳结构性能的影响。参照GB 50007-2002建筑地基基础设计规范［1］，取相邻网壳支座沉降差允许值为0．003L，L为相邻网壳支座间距。双层球面网壳相邻支座间距为8 443 mm，近似取沉降差允许值为25 mm，而双层柱面网壳相邻支座间距为6 000 mm，其沉降差允许值为18 mm。

1 支座不均匀沉降对双层球面网壳结构性能影响分析

1．1 网壳结构概况

双层球面落地网壳跨度86 m(如图1所示)，其结构形式为角锥形双层球面网壳，共设置32个支座。根据JGJ 7-2010空间网格结构技术规程［2］，球面网壳的矢跨比不宜小于1/7，双层球面网壳的厚度可取跨度(平面直径)的1/30～1/60的相关规定，网壳球面部分下弦矢高取20．25 m，矢跨比约为1/4，网壳厚度取2 m。网壳杆件截面规格见表1。

图1 双层球面网壳三维示意图

表1 双层球面网壳杆件截面规格 mm

1．2 支座不均匀沉降的影响

对于双层球面网壳，考虑地基发生沉降的范围为连续五个支座，发生沉降位置如图1所示。参照GB 50007-2002建筑地基基础设计规范要求沉降量允许值25 mm，将支座不均匀沉降量分为10 mm和25 mm两种情况。首先针对双层球面网壳连续五个支座沉降10 mm的情况，采用通用有限元分析软件ANSYS［3］对支座不均匀沉降引起的结构内力进行分析，从网壳杆件应力图可以看出杆件轴向应力较大的位置集中于发生沉降与未发生沉降的相邻两支座之间，杆件的最大轴向应力已超过60 MPa。在考虑压杆稳定后，将连续五个支座沉降引起的内力与竖向荷载作用组合得出杆件轴应力，超过设计应力(215 MPa)的杆件位置及相应的轴应力值如图2a)所示，可以看出不满足设计要求的杆件主要集中在发生沉降与未发生沉降的相邻支座之间，个别杆件轴应力已超过300 MPa。沉降量增大到25 mm引起超过设计应力的杆件位置及相应的轴应力值如图2b)所示，可以看出由于沉降量的增加，轴应力超过设计应力的杆件数量明显增加，并由发生沉降与未发生沉降的相邻支座之间向周围区域扩展，最大轴应力值达到甚至接近设计应力的3倍。

2 支座不均匀沉降对双层柱面网壳结构性能影响分析

2．1 网壳结构概况

双层柱面网壳跨度为60 m，结构形式为正放抽空四角锥双层柱面网壳，如图3所示。其下弦矢高为30 m，纵向总长度为123 m，网壳厚度为2 m，满足JGJ 7-2010空间网格结构技术规程中，沿两纵向边支承的圆柱面网壳的矢跨比1/2～1/5，厚度可取宽度1/20～1/50的规定。柱面网壳杆件截面情况如表2所示。

2．2 支座不均匀沉降的影响

对于双层柱面网壳，考虑连续五个中间跨支座发生沉降，如图3所示。并且参照GB 50007-2002建筑地基基础设计规范要求的沉降量允许值18 mm，将支座不均匀沉降量分为10 mm和18 mm两种情况。

图2 连续五个支座沉降引起杆件超设计应力情况（单位：MPa）

图3 双层柱面网壳三维示意图

双层柱面网壳连续五个边跨支座同时发生10 mm沉降，杆件轴向应力较大的位置同样集中于发生沉降与未发生沉降的相邻两支座之间，杆件的最大轴向应力已超过96 MPa。

表2 双层柱面网壳杆件截面规格 mm

图4 连续五个边跨支座沉降引起杆件超设计应力情况（单位：MPa）

在考虑压杆稳定后，将连续五个支座沉降引起的内力与竖向荷载作用组合得出杆件轴应力，超过设计应力(215 MPa)的杆件位置及相应的轴应力值如图4所示，与双层球面网壳连续五个支座同时发生10 mm沉降类似，但杆件最大轴应力明显增加。当沉降量增大到18 mm时超设计应力的杆件分布与双层球面网壳沉降量为25 mm时规律相似，且杆件最大轴应力明显加大，已超过设计应力的3倍。

另外，当双层柱面网壳一侧的支座同时发生沉降时，由于双层柱面网壳的机动性，即使在沉降量相对较大的情况下，对网壳杆件内力影响也很小，故在双层柱面网壳半跨支座发生沉降时对杆件内力的影响可以忽略不计。

3 结论及建议

对于双层球面网壳在支座发生较小沉降时，由于支座沉降而发生轴应力超设计应力的杆件主要分布在发生沉降与未发生沉降的相邻两支座之间，随着沉降量的增大，轴应力超设计应力的杆件分布会向周围扩展且最大轴应力值明显增大。对于双层柱面网壳情况与双层球面网壳类似，但与双层球面网壳相比，超设计应力杆件的最大轴应力值较大。当双层柱面网壳沿纵向长度方向一侧所有支座同时发生相对较大沉降时，对杆件内力影响很小，可以忽略不计。建议当地基条件复杂的情况下，对支座附近杆件做适当加强，避免由于支座不均匀沉降对结构性能造成的影响。

［1］GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］．

［2］JGJ 7-2010，空间网格结构技术规程［S］．

［3］Release 11．0 Documentation for ANSYS［Z］．2008．