大跨度储煤棚网架结构分析

袁亚芳 白 冰 李 鑫 马文亮 白新理

(华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州 450011)

0 引言

随着计算机信息技术的发展，网架结构的大型通用计算程序相继产生，使网架结构的计算、分析与设计变得高效简洁[1]。网架的轻型化特征使得网壳结构不但可以跨越更大的空间，还能进行标准化和规格化的制作[2,3]。近年来，网架结构得到了广泛发展，美国新尔良“超级育顶”，圆形直径达到了207 m，为美国超级碗体育赛事而建，在当时规模宏大令人叹为观止；日本福冈体育馆，圆形穹顶设计，直径达222 m，是目前世界上最大的球面网架结构[4]。网架结构施工工艺要求高，结构跨度大，在设计和施工方面都有很大的难度，故此类工程易发生事故。为减少结构安全事故，日本倾向于对网架结构的抗震性能分析和研究[5]；刘培祥等[6]提出将Midas gen有限元技术应用于干煤棚网架结构的静力和振型分析；齐月芹等[7]提出对储煤棚网架结构进行风洞试验，解决了多种因素下风荷载体型系数取值问题。

为了研究大跨度储煤棚网架静力学性能，本文采用三维数值模拟的方法，以南阳热电2×210 MW机组储煤棚为例，分析三心圆柱面网架结构在自重荷载、静荷载、活荷载、风荷载以及雪荷载等多重荷载组合作用下的静力学特性，并总结了储煤棚网架在各工况下的应力应变特征。

1 工程概况

工程名称：南阳热电2×210 MW机组工程，本工程位于河南省南阳市高新技术开发区，现有2×210 MW供热机组，2台机组分别于2008年3月和2008年5月投产。厂区的布置形式为三列，由南向北依次布置有：配电装置、主厂房区、贮煤厂区等。热电厂储煤场呈东西向布置，东—西长108 m，南—北宽90 m，原设计为露天煤场，四周设有防风抑尘网。2010年4月在露天煤场—东半部建设干煤棚，采用拱形钢网架结构、单层压型钢板围护，外形如图1所示。该干煤棚东—西长110 m、南—北向跨度87.8 m、拱顶高约31.35 m，工程于2010年7月15日竣工投运。煤场西部70 m仍为露天煤场。2015年6月10日下午，南阳市出现大风天气，并伴有短时大雨，电厂厂区受此次异常天气影响，干煤棚在风力作用下整体垮塌，如图2所示。

根据工程实况研究垮塌干煤棚的恢复重建方案，恢复方案中对网架结构重新设计并分析了结构的受力特性，该工程的网架杆件截面尺寸信息见表1。

表1 杆件截面尺寸信息

2 储煤棚网架三维数值模型

网架恢复方案综合考虑结构使用净高要求及网壳矢跨比等因素，拟采用“三心圆柱面”空间网格结构，该结构由正交正放四角锥组成。网架长110 m，跨度87.8 m，高度36 m，网格厚度为2.9 m，支座高度为3.0 m，网架的剖面图及侧立面图分别如图3，图4所示。

基于ANSYS有限元软件建立储煤棚网架模型，模型的尺寸及其杆件均采用实际尺寸，因而计算模型与实际网架干煤棚是一致的。网架支座是焊接的，可认为网架支座和下部支承结构为刚性连接，各节点的6个方向的自由度与下部支撑结构，通过采用耦合的方式建立了节点自由度之间的联系，使其两两相对应的节点间的自由度具有同一个值。网架的有限元模型如图5所示。

3 荷载选用与分析

网架结构和其他形式复杂的结构一样，网架上施加的荷载决定了结构内力分析的合理性与准确性。荷载的确定按照我国现在正实行GB 50009—2012建筑荷载规范规定，主要的荷载形式及其计算规则如下。

3.1 恒载及活荷载

网架结构的恒载及活荷载是指建筑结构在生产使用期间由各种工业活动如检修、安装或设备运输等重物引起的局部的集中荷载，结合实际情况对荷载进行综合考虑后可用均布的等效活荷载替代。本工程屋面采取轻质压型钢板，恒载取值为0.3 kN/m2；网架屋面一般不上人，根据规范取值,屋面均布活载标准值取0.5 kN/m2。

3.2 雪载荷

储煤棚网架结构因自身尺寸特点，结构跨度较大，因而对雪荷载较敏感，式(1)为雪荷载标准值计算表达式，计算面积取结构水平投影面积。

Sk=μrS0

(1)

其中，Sk,μr,S0分别为雪荷载标准值、积雪分布系数以及基本雪压。

本工程屋面活荷载为0.5 kN/m2，大于雪荷载取值，所以在分析研究网架时仅考虑雪荷载左、右半跨均匀分布的情况。按照我国规范规定，网架结构的雪荷载标准值按照式(1)计算。该煤棚的屋面积雪分布系数按照式(2)计算，式(2)中的符号含义如图6所示。

(2)

3.3 风荷载

由于风速的脉动变化引起结构的振动，风荷载从本质上属于动荷载。但动力分析过程复杂，通常用等效静力原则将风荷载转化为一个等效的静力荷载，这种做法是现行规范允许的。

风荷载的方向可认为是垂直作用于储煤网架结构的各面，其标准值应按式(3)计算：

ωk=βμzμsω0

(3)

其中，ω0，μs，μz，β分别为基本风压、体形系数、高度变化系数、风振系数。

3.4 地震作用效应

本工程所在地地震基本烈度7度，加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，分析设计时，分别考虑了水平地震和竖向地震作用效用影响。

3.5 温度作用效应

作为高阶超静定结构，网架在均匀的温度场变化作用下，由于结构的特性杆件不能自由的随着温度的变化，热胀冷缩导致杆件内部产生应力即为温度应力。这种作用必须在模拟计算和实际建造中加以分析研究。施工安装完毕(网架支座与下部结构连接固定牢固)时的气温与工程建造地区常年极高或极低气温值的差值为实际工程所处的温度场的变化范围。

网架结构设计时，须考虑不同荷载的同时作用，根据恒载不利或有利，风荷载控制或活载控制等不同情况，按照不同的组合系数、分项系数分别进行组合[8]。荷载组合一般表达见式(4):

(4)

其中，q，qG,γo,ψc分别为组合荷载设计值、永久荷载设计值、永久荷载分项系数、可变荷载分项系数。

网架储煤棚的受力分析共选取了11种荷载组合形式进行计算，组合方式如表2所示。

表2 荷载组合方式

4 储煤棚网架受力结果分析

在自重荷载作用下，网架的荷载仅为网架结构自身的重力。此时网架结构情况正常，没有出现较大变形或丧失稳定性，杆件没有出现弯曲或断裂的情况发生。

图7为网架在自重荷载作用下的变形，在结构的顶部产生了网架结构的最大位移为78.84 mm，根据规范规定，储煤棚网架结构计算的最大位移值不得超过短向跨度的1/400。87.8 m/400=0.219 5 m>78.84 mm,显然满足规范要求。

图8为网架的应力云图。由图中显示可知网架各杆件的最大拉应力为45.8 MPa，最大压应力为82.8 MPa。

利用ANSYS有限元软件逐次计算储煤棚网架在工况1～工况11荷载作用下的应变和应力。计算结果表明，在表3列出的11种工况作用下，网架结构情况均正常，没有出现较大变形或丧失稳定性，杆件也没有出现弯曲或断裂的情况，最大位移都出现在结构的顶端。

由表3可知，在工况1作用下的网架与只有重力作用时相比，结构产生的变形较为明显，杆件内力有较大的提高；工况2与工况1相比，结构产生了更大的变形，杆件内力有了更大的提高；对于工况3～工况6，随着风向角的变大，网架的变形和应力却不断减小；在工况7～工况10作用下，风荷载对网架的变形和内力变化具有重要影响；工况11与工况1相比，结构产生了较为明显的变形，杆件的内力也有较大的提高。

表3 网架的最大位移与应力

风荷载对储煤棚网架的受力具有重要的影响，为了进一步了解储煤棚网架结构的受力特性，本文选取该结构的荷载最不利组合工况7进行深入研究。

工况7：静荷载与风荷载的取值，按照经验和规范要求分别取基础值的1.2倍与1.4倍，活载取基础值的0.98倍。工况7作用下网架的变形和应力分别如图9，图10所示，0°,30°,45°,60°四个风向角分析情况中，最大位移和应力是在0°角横向风的情况下产生的，此时最大位移为216.6 mm，最大应力为236.9 MPa。风荷载的方向为正横向时，研究网架结构的杆件单元受力情况，此工况下，上弦杆和下弦杆为较危险的杆件单元，下弦杆的危险系数仍为最高，如表4所示。

表4 荷载组合7作用下受力较大的10根杆件

5 结论

本文研究了该网架结构在不同荷载组合情况下的变形能力和受力特性，所得结论如下：

1)恢复重建的网架结构在最不利的荷载组合作用下，最大挠度值为216.6 mm，小于规范规定的挠度值。研究受力较大的杆件发现，上弦杆与下弦杆是整个结构中最危险的杆件单元，因此优化设计时需适当提高这两类杆件的强度。

2)两边落地前后敞开的三心圆柱面储煤网架结构对风荷载最敏感，网架的变形情况与风向和风力有很大的关系。在与结构成角度的斜风荷载作用下，结构发生明显的扭转变形，内力分布与跨向风有显著的差别，杆件内力出现由拉变压或由压变拉。因此设计储煤网架结构时，斜风工况必须考虑。

3)恢复重建的网架结构的应力和挠度均满足我国规范要求，证明该结构设计合理，结构稳定可靠，可为同类网架结构恢复方案的重新设计、制作安装提供参考依据。