大跨度煤场预应力拱形管桁架结构设计要点

2020-01-15李少荣杨小军

山西煤炭 2019年4期

李少荣,杨小军

(中煤西安工程设计有限责任公司,西安 710054)

露天储煤场一般占地面积较大,尤其是跨度超过130 m的储煤场,在考虑经济性的前提下,若采用常规的网架或者网壳结构需采用多跨,煤场中间需设置结构柱,影响煤炭堆放和机械作业。预应力拱形管桁架作为一种成熟的大跨度钢结构体系,若应用于煤场封闭中,煤棚内部无混凝土柱,内部空间大,空间利用率高,推煤机在内部运行不受影响,可提高储煤容量。预应力的引入最大限度优化结构内力,减小支座水平推力,保证超大跨结构安全。

预应力钢结构已广泛应用于国内外大型民用公共建筑领域。如近些年的世界杯、奥运会等大型体育场馆工程,应用比例已达60%以上。在工业建筑领域,个别大型电厂的煤场封闭也开始使用预应力拱形管桁架结构,国内最大跨度达到229 m左右[1]。

1 工程概况

榆树湾煤矿现有地销煤场宽约200 m,长度方向最长处约255 m,最短处约为165 m,主要用来储存地销末煤,存煤量约20万t,地销末煤可利用既有901带式输送机卸料小车卸落至储煤场存储,既有栈桥顶高度26.09 m,留2 m的安全距离,张弦索底标高28.09 m,储煤场剖面见图1。

图1 储煤场剖面图Fig.1 Cross-sectional diagram of coal storage yard

2 结构布置及设计参数

2.1 结构布置

本煤场轴线跨度170 m,纵向长度162 m,投影尺寸180 m×168 m,属超大跨度煤棚结构,采用预应力钢桁架结构方案。主桁架采用单向张拉拱桁架结构,山墙格构柱通过山墙桁架传力给次桁架,格构柱间用联系桁架连接于山墙桁架,形成双向空间受力结构体系。次桁架间布置箱型截面主梁作为主檩,屋面系统通过主次檩体系传力,主檩间距5.75 m。煤棚长168 m,桁架间距27 m×6 m,5榀主桁架,2榀山墙桁架,9道次桁架,4道交叉圆钢支撑。考虑封闭既有栈桥及安全距离后,室内地坪距离预应力拉索最低点为28.09 m,撑杆高度取桁架跨度的1/10[2-3],桁架顶面代表高度45 m。主桁架跨中高度4.5 m,拐点处桁架高度6 m,桁架上弦宽度4 m[4-5]。结构平面布置图见图2,结构三维轴测图见图3。

图2 结构平面布置图Fig.2 Layout plan of structure

主、次桁架为倒三角形截面,主桁架跨中附近上弦及下弦杆为Φ377 mm×16 mm和Φ325 mm×12 mm,侧面腹杆为Φ194 mm×8 mm,支座附近上弦及下弦杆为Φ450 mm×16 mm和Φ600 mm×35 mm,侧面腹杆为Φ325 mm×12 mm,次桁架上弦及下弦杆为Φ245 mm×10 mm和Φ194 mm×8 mm,侧面腹杆为Φ159 mm×6 mm,主桁架张线索为Φ63高钒拉索,撑杆为Φ299 mm×12 mm钢管,主桁架间十字撑杆为Φ40 mm钢拉杆。钢管材料为Q345B,高钒索抗拉强度1 670 MPa,钢拉杆为Q460B。

图3 结构三维轴测图Fig.3 3D axonometric drawing of structure

2.2 荷载取值

1)恒载及活载

屋面钢结构围护及彩钢板荷载0.3 kN/m2,屋面活荷载0.3 kN/m2,马道活荷载1 kN/m2。

2)风荷载

50 a一遇基本风压为0.4 kN/m2。储煤场结构体型复杂,应通过模拟风洞试验来确定风荷载体型系数。通过模拟风洞试验,确定了风荷载体型系数,屋盖表面及山墙面共分34个分区。结合风洞试验结论,综合考虑不同风向角的风压分布情况,分别按照0°向风、135°向风和195°向风计算分析,可得风荷载体型系数大于《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)[6],风振响应分析后风振系数取1.8,大于一般的结构。

3)雪荷载

50 a一遇基本雪压为0.25 kN/m2,本工程为雪荷载的敏感结构,采用100 a重现期雪压为0.30 kN/m2。积雪分布情况分别按全跨积雪的均匀分布、不均匀分布和半跨积雪的均匀分布按最不利情况采用。

4)温度荷载

据当地气象资料,考虑升温30 ℃,降温-30 ℃,钢结构合拢温度为5 ℃～20 ℃。

5)地震作用

设防烈度6°(0.05g),设计分组第一组。

2.3 边界条件

桁架弦杆固接,腹杆单元释放,弦杆计算长度系数取1.0,腹杆取0.8,主桁架落地点采用万向球铰支座。

3 结构设计与分析

3.1 预应力对结构作用分析

拱形结构在荷载作用下基础产生很大的水平推力,施加预应力可有效抵抗拱型结构产生的水平推力,减小柱脚的基础水平反力。为了研究预应力对结构及基础的影响，将预应力张弦桁架方案和不采用预应力的普通钢结构方案进行对比分析。取受力最大处(中间榀)桁架在恒载+活载+预应力组合下的内力、反力、变形进行对比,如表1所示。

表1 有无预应力单排桁架内力、反力、变形进行对比Table 1 Comparison of internal force, counter force and deformation with or without prestressed single row truss

3.2 结构动力特性分析

采用 Midas 软件进行结构特征值分析,采用Ritz向量分析法,使用三向地面加速度作为初始工况,取前180阶振型计算,最终结果在X向质量参与系数SumUX=97.58%,Y向质量参与系数SumUY=97.28%,Z向质量参与系数SumUX=90.07%。满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)(2016年版)[7]累积参与质量不小于总质量90%的要求。结构扭转效应不明显,属平面规则结构,结合整形图可看出所捕捉的前10阶振型X向和Y向质量参与系数小于60%,Z向3.3%,前10阶振型存局部振动,且主要集中在大跨梁,不属于结构主要承重构件,不影响结构稳定和强度。

3.3 结构强度计算

设计采用 MIDAS和3D3S两个程序进行结构体系计算分析,并进行结构刚度、构件强度验算设计。关键构件为主桁架弦杆及支座附近网格,强度、稳定应力比控制为0.85,其他杆件为一般杆件,强度、稳定应力比控制为0.90。应力比结果见图4和图5。

图4 关键杆件应力比折线图(最大0.850)Fig.4 Line chart of stress ratio of key members (the maximum value=0.850)

图5 一般杆件应力比折线图(最大为0.90)Fig.5 Line chart of stress ratio of general members (the maximum value=0.90)

3.4 结构位移计算结果

结构位移最大处为中间榀主桁架跨中拉索处,结构最大竖向位移为309 mm,变形为结构跨度1/550,小于《钢结构设计标准》(GB50017-2017)[8]要求的1/400。X向风荷载作用下结构X向水平位移为164 mm,Y向水平位移为104 mm,最大变形为结构跨度的1/298,小于《拱形钢结构技术规程》(JGJ/T249-2011)[8]要求的1/200。位移指标满足规范要求。

3.5 断索分析

设置中间一榀桁架工作中预应力索断裂,断索位置为下弦拉索的端头,设置断索的荷载工况为1.0倍恒载+1.0倍活载,断索后结构最大位移为380 mm,变形为结构跨度的1/447,小于《钢结构设计标准》(GB50017-2017)[9]要求的1/400,断索后结构在荷载标准值作用下应力比不大于0.85,故不会发生倒塌。

3.6 结构弹性稳定性分析

钢结构部分在恒荷载+活荷载最大作用下进行特征值屈曲分析,预先评估结构可能存在的薄弱环节和屈曲构件,预测屈曲荷载上限。利用弧长法进行整体结构全过程分析,依据《空间网格结构技术规程》(JGJ 7-2010)[10]考虑最大节点初始几何缺陷为结构跨度的1/300,取重力作用下的位移和一阶屈曲模态作为初始几何缺陷分布。不同初始缺陷下结构极限荷载因子如表2所示,满足规范要求。

表2 不同初始缺陷下结构极限荷载因子Table 2 Ultimate load factor of structure under different initial defects

3.7 节点分析

分别选取管桁架的支座节点、支座附近下弦转换节点、拉索与张弦桁架连接节点、下弦撑杆节点等关键节点,考虑结构材料的弹塑性,选取轴力最大工况下各杆件轴力为杆件荷载,采用Abaqus有限元计算,在2倍设计荷载下,最大等效应力值小于345 MPa,节点强度满足要求。

3.8 基础设计

由于场地地下水位较浅(埋深1 m左右),且上部土层承载力较低,基础采用桩基承台。采用钻孔灌注桩,桩径0.8 m,主桁架基础桩长11 m,单桩水平承载力特征值230 kN,单桩竖向承载力特征值950 kN,由于基地水平推力较大,桩数量由水平力控制。主桁架采用14桩承台,承台大小为8.8 m×8 m×1 m(h)。

4 经济技术分析

结构总用钢量为1 824 t(不含次檩及屋面板等维护结构),投影面积为28 560 m2,单位面积用钢量为63.8 kg/m2。130 m跨度的网壳单位面积用钢量约为65 kg/m2,超过130 m跨度后网壳结构单位面积用钢量会更高。本工程跨度为170 m,因此170 m 跨的预应力管桁架结构的经济性明显优于网壳结构。