钢柱一索桁架结构在储煤仓工程中的应用及分析

段香鑫 李聪聪

关键词：SAP2000;钢柱一索桁架储煤仓结构;大跨度;对比分析

随着国家经济的不断发展，露天煤场对自然环境的污染也日益严重，所以对储煤仓进行全封闭改造是国家政策的明确要求。目前应用最广泛的全封闭式储煤仓是钢结构储煤仓，然而钢结构储煤仓依然存在高空作业多带来的坠落风险大、焊接难度大、费用较高的问题。若将钢柱一索桁架结构应用于储煤仓，其不仅具有和普通钢结构储煤仓相似的优点，还可解决普通钢结构储煤仓存在造型不够灵活、高空作业较多、屋面系统自重大且用钢量较多的问题。同时符合现代工业对快速、大规模生产的要求，并结合储煤仓现有的结构形式，对钢柱一索桁架结构形式是否适用于储煤仓进行研究。

1钢柱一索桁架储煤仓结构体系的确立

根据实际储煤仓的初步构件设置，确定钢柱一索桁架储煤仓结构构件主要包括钢桁架、钢柱、檩条、拉条、屋面板、墙面板、索桁架、连系索。通过SAP2000软件对45米跨度钢柱一索桁架储煤仓结构的构件形式、截面种类进行优化及对比分析，确立一个完整的钢柱一索桁架储煤仓結构体系。在钢结构体系中钢柱的截面形式通常选用H型钢，因为其具有强度高、截面模数大等特点，所以钢柱的截面形式将采用H型钢。其他具体构件见下文。钢柱一索桁架储煤仓结构体系如图1所示。

1.1檩条及拉条的确定

本结构檩条的截面形式采用c型钢，其特点为：c型钢经热卷板冷弯加工而成，壁薄自重轻，截面性能优良，强度高。拉条主要材料一般为Q235线材生产。钢柱一索桁架结构体系中墙面檩条将采用标准截面，间距为1.5米。本结构柱距为9m，需设置两道拉条。

1.2墙面板及屋面板类型的确定

以经济实用、设计跨度较大、安装便捷为前提，选用适用于钢柱一索桁架柔性屋面的HV-125（YX38-152-914型）压型钢板，墙面板将采用HV-248压型钢板，其特点为有效利用面积大、经济实用、波峰规则、视感清洁美观。

1.3钢桁架构件截面形式的确定

钢桁架截面形式的优化是在给定的约束条件下最大极限使用每个构件，从而达到降低工程成本的目的。本文将采用最为常见的三种构件种类（圆钢、角钢、方钢管）进行优化和对比分析。根据三种构件截面种类（圆钢、角钢、方钢管）优化结果可知，三种截面的钢桁架在风荷载主导的最不利荷载下，节点位移、变形特征以及具体数值相似，应力分布以及最大拉压应力数值相似。在考虑节省钢材以及构件连接简便的前提下，钢柱一索桁架结构采用L型角钢作为钢桁架的构件种类。

1.4索桁架形式的确定

由于钢柱一索桁架结构屋面是柔性的且用于储煤仓，以经济实用性、设计跨度较大、安装便捷为前提，所以钢柱索桁架屋面板选用适用于柔性屋面的HV-125（YX38-152-914型）压型钢板，墙面板将采用HV-248压型钢板，其特点为有效利用面积大，经济实用;波峰规则，视感清洁、美观，螺钉隐藏在波谷内。

1.5三种索桁架形式的对比分析

由表1可知，斜腹杆平行交叉式索桁架不论是索直径还是屋面整体位移都是不如倒斜腹杆平行鱼腹式索桁架和倒斜腹杆交错车幅式索桁架的，所以首先排除斜腹杆平行交叉式索桁架作为最终结构形式。虽然倒斜腹杆交错车幅式索桁架和斜腹杆平行鱼腹式索桁架构件相比，存在内部净空大、构件应力相似且屋面位移相对较小，但是由于车幅式索桁架中部没有任何坡度是平行于水平面的，且变形形式为中部凹陷，所以存在排水问题无法解决。而倒斜腹杆平行鱼腹式索桁架中部存在较大坡度利于排水，且中部节点位移也足够小，所以钢柱一索桁架结构的最终索桁架形式选取为倒平行鱼腹式索桁架结构形式。

2 90m跨度钢柱一索桁架结构储煤仓的性能分析

90m跨度钢柱一索桁架结构储煤仓的实际工程概况：整体模型采用钢柱一鱼腹式索桁架结构。模型跨度为90m，纵向长度117m，主柱柱距为9m，高18m，抗风柱柱距为9m，高18～20.9m。其中主柱边界条件为刚接，抗风柱边界条件为两端铰接。几何构件图如图2所示。

通过有限元软件SAP2000对90m跨度钢柱一索桁架结构进行多次构件截面及预应力荷载的优化调整，得到最终构件截面的设计结果，之后对设计结果进行构件验算，确保构件设计的安全性。其设计构件截面数据如表2所示：

荷载类型：恒荷载：（结构自重）。

积灰荷载：0.75kN/m2。

活荷载：0.5kN/mE。

基本雪压：0.25kN/m2。

积雪分布系数：1或2。

活荷载和雪荷载取较大值计算，如果最大值一样，活荷载相比雪荷载在荷载组合中更为不利，所以将采用活荷载进行计算。

验算结果整理与分析。由表3可知，在索桁架中所有构件的应力均为拉应力，最大拉应力为890MPa出现在斜拉索处，连系索与上下弦索内应力在250～600MPa之间且应力分布均匀，且最大应力结果小于拉索的容许值的=1960MPa的三分之二，满足《索结构技术规程》中的应力设计要求。撑杆中同时存在拉压应力，最大拉应力为246MPa，分布在索桁架的中部，最大压应力为260MPa，分布在索桁架的边部，且最大拉压应力均小于300MPa，满足《新钢结构设计手册》中杆件强度设计要求。屋面的最大挠度为490mm，分布在屋面中间位置，屋面四周挠度仅有20mm左右的挠度变化，满足储煤仓的排水需求，且跨中挠度结果远远小于结构总跨度的十五分之一，满足《索结构技术规程》中的挠度设计要求。主柱的应力以受压为主，最大压应力为260MPa，由于抗风柱不承受竖向荷载，所以拉应力较大为170MPa。主柱中最大拉压应力均小于300MPa，满足《新钢结构设计手册》中杆件强度设计要求。主柱柱顶的最大位移为45.5mm，抗风柱的最大位移为132mm，远远小于L/150，满足GB50017《钢结构设计标准》挠度设计标准。钢桁架中同时存在拉压应力，最大拉应力为230MPa，最大压应力为255MPa，且均小于300MPa，满足《新钢结构设计手册》中杆件强度设计要求。钢桁架x方向的最大位移为45.5mm，Y方向最大位移为60mm，变形情况均为由中心向两侧逐步递减，且均小于L/400，满足GB50017《钢结构设计标准》的挠度设计标准。本结构中墙面檩条的强度及挠度验算虽没有详细给出，但在设计时也满足上述规范要求。通过SAP2000的钢结构设计板块中对90米跨度的钢柱一索桁架结构的进行稳定性验算，结果显示钢柱一索桁架结构满足稳定性要求。综上，90米跨度的钢柱一索桁架储煤仓结构体系具有安全性和稳定性。

3结论

（1）钢柱一索桁架结构体系可适用于储煤仓工程，且钢柱一索桁架结构体系中主要构件包括钢桁架、钢柱、檩条、拉条、屋面板、墙面板、索桁架、连系索。

（2）钢柱应选用H型钢、钢桁架应采用L型角钢，并将其竖向放置、墙面檩条应采用c型钢、拉条应选用双层拉条，且应在檩条三分点处布置两道拉条。

（3）钢柱索桁架屋面板应选用HV一125压型钢板，墙面板应采用HV-248压型钢板。钢柱一索桁架中最优的索桁架结构形式为三种索桁架形式（交叉式、鱼腹式、车幅式）中的倒斜腹杆平行鱼腹式索桁架结构形式。

（4）通过对钢柱一索桁架体系进行构件截面的具体设计以及强度变形验算显示，该体系在大跨度储煤仓工程的使用中是具有安全性、稳定性的。

（5）本文对常用跨度进行的优化设计，其设计的构件尺寸在相同使用条件下，能够给相似工程提供数据参考。分析结果表明随着钢柱一索桁架结构跨度的逐步增加，连系索的直径基本保持不变。