大跨度水泥熟料库网架受力特点及参数影响分析

2014-10-23李东水赵琳马德宝张文元潘蜀京

水泥技术 2014年1期

李东水，赵琳，马德宝，张文元，潘蜀京

1 前言

随着我国经济的迅速发展，网架结构的应用越来越广泛，尤其是在大跨度建筑物中，网架结构显示出了特有的优势，如自重轻、承载力高、结构受力明确、传力合理、设计、制作和安装相对容易等。

以某水泥厂熟料库网架屋盖为模型进行整体性能分析。该水泥熟料库直径为70m，采用圆台形（锥面+锥顶平台）网架屋盖、Q235钢材，其下部筒体壁厚为600mm，网架外径取70.5m，网架锥面倾角根据工艺要求确定为32°角。同样按工艺要求，锥顶平台直径13.7m，整体锥面网架高度约20m，其整体尺寸如图1所示。采用等截面的双层网架，网格形式为常用的正放四角锥类型，由于库内外温差较大，为了使温度变形得到很好的释放，设计了一种能够沿径向滑动的支座[1]，选择网架下弦外环周边的18个节点定义为网架支座，采用螺栓球节点，高强螺栓连接。本工程取抗震设防烈度为8度，温度差取150℃，拉链机头斜向拉力为360×2kN，将杆件最大应力比控制在0.8的范围内。

2 结构整体性能分析

2.1 网架的周期和振型特点

在结构设计中，荷载取值及组合时分项系数、组合系数按《建筑结构荷载规范2010征求意见稿》选取[2]，组合中考虑了恒荷载、活荷载、风荷载、地震荷载和温度荷载的作用，组合后经分析得到网架的周期和振型的特点如下：

（1）结构基本周期为0.32s左右，对比网架或网壳的各种屋盖结构，本结构的刚度较大，这主要是由于本结构承受较多的活荷载，且荷载数值较大，故结构选型时网架截面高度取值较大；同时周边支承的锥形网架本身构形上就属于高次超静定，也是造成结构刚度较大的原因。较大的刚度对于本结构的设计是有益的。

（2）结构的前两阶周期基本相等，振型均为锥顶带动锥面的水平振动，但方向相互垂直，分别为整体坐标系的X和Y向。观察支座可以发现，由于整体的振动，各支座均沿着径向发生了不同程度的位移，但法向保持不动。

（3）结构的第3阶振型为竖向振动，周期比前两阶稍有降低。周边各支座均发生了向外的径向变形，且变形基本相等，类似于一个被压扁了的草帽。

（4）结构的4、5、6阶振型为高阶振型，图2中未给出更高阶振型，他们的周期进一步降低，但降低的幅度不大，说明本网架的振型相对密集，这也是网架或网壳结构的普遍特点。

2.2 网架在竖向荷载作用下的变形和内力特点

（1）在竖向荷载作用下结构的锥面和锥顶平台向下产生了类似简支梁一样的挠度，同时沿径向向周边扩大，产生径向的水平位移。竖向恒荷载作用下的最大挠度为19.34mm，发生在锥顶平台上，周边水平变形约为8.71mm；竖向活荷载作用下的最大挠度为13.77mm，亦发生在锥顶平台上，周边水平变形为6.42mm。竖向挠度和水平变形均不大，可满足变形限值的要求[3]。

（2）由于竖向恒荷载取值较大，故竖向恒荷载作用下，网架各杆件的内力比竖向活荷载作用的结果稍大，但这两种荷载作用下，网架上弦、下弦、腹杆、支座反力等分布规律基本一致，两者呈比例变化。

图1 网架的整体尺寸

竖向荷载作用下网架将产生沿径向扩大的趋势，从而造成上、下弦的最外圈环向杆件承受了较大的拉力，其数值比内圈各环明显高出许多，由外圈到内圈，各环拉力呈迅速递减趋势，且到内部各环处逐渐变为压力。网架上、下弦的径向杆基本处于受压状态，其中上弦表现得更为明显一些，这是由于竖向荷载要沿着锥面向下方的支座处传递而造成的。上、下弦径向杆件的压力差形成的弯矩与外荷载产生的弯矩相平衡。外环的斜腹杆所受内力也明显大于内部各环，且同一网格内的两根腹杆的拉压力交替变化。正是基于这种特点，在定义杆件优选分组时，将各环的网架腹杆定义为不同的分组，同一环内的腹杆为同一组，有利于结构用钢量的优化。锥顶平台处（特别是锥顶平台的周边处）各腹杆的内力也较大，这是由此处荷载本身较大且存在着库顶房及其屋面传来的恒荷与活荷所致。

18个支座的竖向反力基本相等，说明结构布置和刚度分配基本沿中心极对称，竖向荷载能够均匀地传递给各个支座。18个支座的水平反力数值接近于0，说明在竖向荷载作用下各支座不会产生明显的法向支反力。

2.3 网架在拉链机头斜向荷载作用下的变形和受力特点

（1）拉链机头斜向荷载作用下的变形如图3所示，可以看出由于荷载是沿图中X轴和-Z轴方向的，故合位移较大的位置发生在X正向的锥顶平台和锥面的交汇处区域，最大合位移为7.26mm。而从水平变形图中可以发现，由于支座水平约束的存在，网架的+Y向和-Y向的最外端在X方向基本维持不动，而网架的+X向和-X向的最外端沿X方向均产生了水平变形，此时整个网架沿水平X方向也类似于一个简支梁的变形。由于网架为锥面，且斜向力作用在锥顶平台上，故锥顶平台处的水平位移也较大，与网架+X向最外端的水平位移基本持平，大致为3.87mm。总之无论是竖向位移，还是水平位移，数值都不大。

图2 模型S-8-360-150的前六阶振型和周期

图3 拉链机头斜向力工况下的位移

（2）由于拉链机头斜向力作用在锥顶平台上，沿+X轴和-Z轴斜向下作用，且水平分量较大，故可以发现网架径向弦杆在内力的分布上分为左右两半，左半是受拉压，右半是受压拉，这种现象在上弦径向杆中表现得更为突出。而环向杆受力同样表现出了网架最外环杆件受力最大的特点，且比内部各环内力高出许多，但右侧半面的外环承受拉力，而左侧半面的外环承受压力，这与简支梁或桁架的受力特点十分类似。

支撑平台处网架腹杆的内力较大，因为这里是承受拉链机头斜向力的直接位置。而由于内力在杆件中很多能够得到扩散，并均匀分布开来，故其他位置腹杆的内力都不大，且较为均匀。

支座的竖向支反力呈现出右侧受压、左侧受拉的分布规律，这是由于锥面高度较大，拉链机头斜向力对支座平面产生了整体倾覆弯矩。拉压过渡位置（可以认为是中和轴位置）与Y轴平行，位于网架中心偏左的位置上。各支座的法向支座反力分布规律与预想的完全相同，即与斜向力水平分量相垂直处的支座法向支反力最大，随着与水平荷载夹角的减小，各支座的法向支反力逐渐减小，当支座法向与水平荷载垂直时，支座的法向支反力减小为0。支反力有正有负，是由于法向刚性系杆设置方向不同的缘故，因此我们可以不必关心其正负，而仅关心其绝对数值。

2.4 网架在温度荷载作用下的变形和受力特点

（1）温度荷载作用下的变形基本是极对称，网架沿径向向周边均匀扩展，此时最大温度变形为63.699mm，且观察其他模型发现，这个温度变形仅与升温幅度有关。若升温均为150℃时，无论杆件截面如何，其最大径向的温度变形均为63.699mm。

（2）网架所有杆件在温度荷载作用下的内力均为0，这也说明了支座位置、数量和约束方式的设置是合理的，不会由于温度的变化而产生附加内力。同样支座的竖向反力和法向水平力也均为0，说明温度荷载对本网架杆件内力没有任何影响,仅会产生位移。

3 关键参数的影响分析

3.1 拉链机头斜向荷载的影响

同一抗震设防烈度、同一温差荷载作用时，拉链机头斜向力对网架各设计指标的影响规律如图4所示。从图4a中可以看出，随着拉链机头斜向力的增大，结构的前三阶周期基本呈线性降低，说明拉链机头荷载增大导致结构用钢量增加，从而使结构整体刚度加大。从图4b中可以看出，拉链机头荷载的增大，使支座的支反力线性增大，由于此机头斜向荷载的水平分力较大，致使水平支反力的增大效果相对明显，而竖向支反力仅随拉链机头荷载的增大而稍有增加。从图4c中可以看出不同温差时，网架的最大水平位移随拉链机头荷载的增大而略有增加，但增大效果不明显，这主要是由于温度荷载产生的水平变形在总体水平变形中占据了绝大比例，这时外力产生的水平变形变化相对微弱。而随着拉链机头荷载的增大，结构用钢量和刚度均相应增大，故网架的最大竖向位移随拉链机头荷载的变化规律不明显，甚至表现出位移逐渐减小的趋势。从图4d中可以看出，拉链机头荷载对结构的用钢量影响较大，且随此荷载的增大，用钢量呈现出一定程度的非线性增长，说明拉链机头荷载是结构经济指标的重要影响因素。

3.2 温度荷载的影响

温度荷载不会引起附加内力，故对结构的竖向位移、内力和支反力的影响不大，但对结构的水平位移响应影响较大，图5给出了随温度荷载变化时网架最大水平位移曲线。从图中可以看出，随着温差的增大，最大水平位移呈线性按比例增大。温差达到150℃时，最大位移为84mm左右。拉链机头荷载不同时，对最大水平位移的影响不大，图5中的四根曲线基本重合。

3.3 地震荷载的影响

图4 拉链机头斜向力对网架各设计指标的影响规律

图5 升温温差对最大水平位移的影响规律

对比相同拉链机头斜向力、不同设防烈度时的计算结果，可以发现地震作用对结构用钢量没有影响，对结构周期、支反力和位移也没有影响。两种设防烈度情况下，网架的截面没有任何改变，因此可以认为地震荷载并非本结构的控制荷载，对结构设计没有显著影响。

3.4 支座数量的影响

由于本网架周边一共有72个节点，根据均匀分配的原则，将网架周边支座数量定义为12、18、24、36个，建立模型并分别计算发现，随着支座数量的增加，杆件最大内力、结构整体位移和支座法向水平支反力均逐渐降低，而且它们的变化规律基本相同。虽然上述指标随支座数量增多而降低，但并非线性关系，结构响应指标降低的速度在减缓。这种现象说明增加支座数量虽能改善结构的受力状态，但支座达到一定数量后，其改善结构受力状态的能力在下降。

故综合分析这些数据，可以认为当支座数量为18时，结构经济指标最合理。此时既不会使用过多的支座，也不会给施工和安装带来过多麻烦，还能保证结构杆件内力、位移、水平支反力等作用效应指标。

3.5 局部杆件取舍的影响

考虑库顶房下料口的需要，将库顶网架中心位置处的上弦和下弦各去掉一根，计算结果表明对网架周边杆件及整体响应并未产生较大影响，原有杆件截面依然能够满足设计需要。锥顶平台位置处网架上下弦均去掉中央的杆件后，由于内力重分布，其周边构件的内力有所增大。但由于这些杆件原有的内力并不大，虽然内力有所增加，但使用原有截面仍能满足设计要求。