欧洲规范在大跨度熟料储棚钢结构中的应用

李红雨，陈世虎

欧洲规范在大跨度熟料储棚钢结构中的应用

Application of Europe Standard in Large Span Clinker Storage Shed Steel Structure

李红雨，陈世虎

本文以应用于水泥厂中的大跨度熟料储棚钢结构工业厂房为例，采用欧洲规范进行设计，以通用有限元软件SAP2000进行结构分析，对项目实施过程中遇到的问题及采用欧洲规范的大体过程进行概括性介绍，以期对欧洲规范的应用有一个大体的认识。

欧洲规范；SAP2000；大跨度熟料储棚；钢结构

随着中国企业“走出去”战略步伐的加快，涉外工程也逐渐增多，欧洲规范、美国规范等也被越来越多的项目合同要求采用，而国内对于其相关的研究及应用尚处在起步阶段。本文以采用欧洲规范进行设计的大跨度熟料储棚钢结构工业厂房为例，对项目实施过程中遇到的问题及采用欧洲规范进行设计的过程进行介绍，以加深中国企业对欧洲规范应用的认识。

在水泥工厂中，储棚或堆棚结构以其醒目的外部结构形式以及鲜艳的色彩为大家所熟识。储棚或堆棚以储存物料或对储料均化为目的，在整条生产线中起关键的中继作用，作为一个重要节点存在。随着水泥生产线的日趋大型化，为适应生产的需要，储棚结构的单体建筑面积以及跨度也越来越大，这也相应造成了该结构的用钢量及造价在整条水泥线的投资中占据更大的比重，因此，结构的合理设计、优化是一件很有意义的工作。

1工程概况

本工程地处非洲几内亚，热带地区，靠海，年最低/最高温度分别为+ 22/+35°C，处于非地震区，基本风速（10min平均时距、离地10m高度处）为136 km/h，按欧洲规范计算，基本速度压力为0.89kN/m2，从气象条件来看，本工程温差很小，风载很大，风载为主要控制工况。

熟料储棚结构跨度为43.5m，全长139.5m（其中储棚长133m，另外附加边侧宽6.5m的转运站），桁架中间部分柱距为7.5m，两侧靠近山墙部分柱距6.5m，共计17榀平面桁架及2榀刚架式山墙，桁架间通过纵向系杆及四道分别设置于中间及边部的纵向和水平支撑形成稳定体系，储棚结构见图1、图2。

2地勘问题

从20世纪50年代以来，我国一直实行工程建设的勘察、设计与施工三个阶段的体制，分别由勘察、设计和施工三种不同类型的单位实施。这种体制的特点是勘察、设计与施工单位之间的分工明确，三种不同性质的单位各对其所负责的阶段工作负责，以勘察报告和设计图纸为检查的依据，工程责任非常明确。但是实际工作总是相互联系、相互制约的，人为划分的界限总有交叉和不太合理的问题，如地基承载力的确定，其不仅与地质条件有关，也和工程条件有关，是在地基基础设计过程中，根据基础的实际埋置深度和平面尺寸，经承载力极限状态和正常使用状态两种设计状态的计算和检验，最终取用的综合取值。在市场经济国家，岩土工程勘察和岩土工程设计是由一个单位、一个工种来完成，从而避免了这种体制所带来的结构性矛盾。

图1 纵断面图

在接触涉外工程的地勘报告时，由于体制与文化的差异，地勘报告的形式与国内有很大的不同。这些地勘报告对于试验数据的描述十分详尽，却不像国内地勘报告一样为我们得出结论，这种方式给工程师的设计工作带来很大困难，对工程师提出了更高的要求。针对这种状况，需要我们的工程师具有岩土和地质工程师的相关知识来认清报告意图并对实验数据加以转化，如试验标准、土的分类、地基设计准则、沉降分析等方面，从而最终得到岩土的相关性质进而开展地基设计工作。

图2 横断面图

3模型建立

本工程采用一款国际通用的有限元软件SAP2000进行建模、分析及设计，其对欧洲规范、美国规范有很好的适应性，在国外项目中有很高的认同度。由于该项目具有典型的平面结构的特征，按两种思路分别建立结构模型，第一种选取单榀结构建立模型（图3），第二种建立三维模型整体考虑（图4），对两方案进行分析对比，选取不利工况作为设计最终结果取用。

4荷载及荷载组合

4.1 荷载

作用于储棚结构上的主要荷载与作用有：结构自重、设备自重、积灰荷载、楼面（屋面）活荷载、风荷载以及温度作用等，对于结构自重、设备自重、积灰荷载、楼面（屋面）活荷载等按规定输入即可，对于平面模型分析中未考虑温度作用，三维模型中则考虑温度作用（假设结构闭合温度为30°C，温差按±13℃考虑）。

储棚结构属大跨度结构，风荷载是结构设计过程中的控制荷载，风载的计算欧洲规范提供以下两种方法：

（1）矢量求和法：作用于整个结构或构件上的风力Fw可以通过外部压力Fw，e、内部压力Fw，i和风引起的摩擦力Ffr矢量求和确定，见式（1）。

式中：

（2）力系数法：对于复杂的结构，如桁架结构、表面压力分布取决于雷诺数的结构和形状弯曲的结构，如圆柱体、球体，可以采用力系数法进行计算，可以采用EN1991-1-4规定的不同结构的力系数cf来确定风的合力，见式（2）。

本结构采用矢量求和法求得风荷载施加于模型，由于结构体型的原因，压力系数含多种工况，给结构计算带来很大的工作量，可根据实际情况，列选几种最不利风载工况进行分析计算，一些不起决定作用的工况可以忽略以减小计算工作量。

4.2 荷载组合

在欧洲规范中，对承载能力极限状态，EN1990给出基本组合，见式（3），可选组合见式（4）、式（5）。

承载能力极限状态的校核涉及静力平衡（EQU）、结构承载力（STR）和地基承载力（GEO）三个方面，不同的情况及不同的国家附录对荷载组合的要求是不同的，针对本项目，选取以下荷载组合进行结构设计。

图3 单榀结构平面模型

图4 三维模型

图5 基础剖面示意图

（1）承载能力极限状态

（2）基础组合（基础设计时采用）

（3）正常使用极限状态

式中：

W——风荷载

5结果分析

（1）由于本工程风载很大，基础设计时为控制工况，造成基础尺寸很大达到4m×7m。此外储棚周边布置有挡墙，设计时需统一考虑，对此，可按实际情况将桁架柱独立基础及挡墙设计为分离式或者整体式。分离式计算方便，但很难保证施工及工程质量。整体式（图5）可以分为两部分计算：挡墙及独立基础单位计算，计算独立基础要将挡墙计算的附加重力、剪力及弯矩加于其上，考虑不利组合一起计算，综合考虑，选取整体式基础作为最终设计方案。

（2）虽然结构平面具有典型的平面特征，按常规应将其按平面考虑，不过在分析中发现，温度作用对结构的影响也是可观的，边部带撑部分的杆件及支撑构件的内力都有一定程度的增大，出于安全的考虑，将由平面桁架组成的大体量结构体系按实际情况整体建立三维模型。本项目由于温度作用较小，未设计温度缝，在温度作用较大的情况，应在适当位置设置温度缝以从构造上减小温度作用，除此外，对于支撑构件也应尽量布置于结构的中部。

（3）在单榀平面结构下的结构计算结果反映：在风载工况下，结构产生较大的位移，已经接近限值要求；而在三维模型分析下，结构的变形较小，由于侧向构件的加入使结构纵向刚度变大且在风载作用下结构会出现应力重分布从而使变形减小，整体模型更能真实反映结构的受力。

（4）按照我们通常的设计习惯，对于由强度控制的构件，通常采用Q345钢或更高强度的钢材，受力较小的地方会采用Q235钢，不同强度的材料混用在同一结构上，但是按欧洲规范的设计习惯及要求，这一作法是不被推荐使用的，因此，为了节省钢材，我们的结构构件全部采用Q345钢。

[1]贡金鑫,车轶,李荣庆.混凝土结构设计[M].中国建筑工业出版社,北京：2009.8.

[2]高大钊.土力学与岩土工程师[M].人民交通出版社,北京：2008.8.■

TQ172.612

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1001-6171（2014）02-0104-03

天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400；

2013-09-05；编辑：赵莲