大跨度预应力钢结构储煤棚存在的主要问题分析

李志峰

（宁夏煤炭基本建设有限公司，宁夏 银川 750000）

1 结构设计环节的主要问题

与普通钢结构形式不同，大跨度储煤棚结构普遍采用钢管立体桁架+预应力拉索的结构形式。桁架结构有三角形、四边形或其两者组合，上下节点采用相贯节点或球节点形式，这种结构具有跨度大、重量轻、屋面面积大、运行环境恶劣等特点。大跨度储煤棚结构在设计上有一定的特殊性，需要注意以下几个方面的问题。

1.1 杆件整体应力水平过高，杆端局部弯矩效应明显

对于大跨度，特别是超大跨度的预应力桁架储煤棚结构，建设单位为了节约成本，往往会对工程造价进行严格控制，而设计或施工单位为了提高中标率，也会对工程成本进行大幅度压缩，导致设计单位直接降低结构设计时的整体平米用钢量水平，尽量对结构的用钢量进行优化，从而使结构杆件的直径或厚度在一定程度上缩减，造成结构成形后的整体杆件应力水平较高，应力储备不足，甚至出现满应力。这就造成了结构整体自稳性和抵抗外界各种荷载的能力不足，很容易导致结构垮塌。在结构杆件应力设计方面，特别是一些网架、网壳结构煤棚的杆件设计时，如果对其他一些附加荷载，如节点重量、杆件自重等估计不足，为了保证施工顺利进行而又临时增加一些设备荷载等情况出现，则可能会造成杆件应力超出允许范围，从而导致结构破坏失稳，这是设计中存在的主要问题。因此，在设计此类空间杆系结构时，不能采用过于理想化的节点假设模型，因为这样容易忽略节点刚性约束所引起的杆端弯矩，使本该为轴心受力的杆件在实际应用中还要承担局部弯矩的影响，出现截面设计不足的问题。

1.2 未充分考虑支座不均匀沉降，结构支撑条件不清晰，支座约束条件判断不准确

对于大跨度空间结构，特别是大跨度、超长的预应力储煤棚结构来说，支座大部分是支撑在基础短柱或挡煤墙上，支座间纵向轴间距较大，横向跨度也较大，这样的支座实际上是处于一个弹性状态。在设计过程中，如果把此类支座的形式看作是固定铰接于地面，不考虑支承条件的高度，则会无形中放大了约束的水平刚度，是不安全的。设计时应适当进行约束条件的各种假设，或者在数值计算模型中精确模拟判断其实际约束刚度，才能保证上部支撑结构的稳定性。大距离的轴间距和跨度相对应的基础土质的性变也较为明显，相应的跨间水平推力也会很大，这就容易造成竖直方向上结构支座基础发生不均匀沉降，从而带来上部结构各种响应的变化，跨距方向上会因较大的水平推力使挡煤墙发生一定的水平变形，水平推力也会造成支座水平移动，形成支座的水平变位。无论哪个方向上的变形，如果过大均易造成杆件超出其极限形变状态。在设计过程中，如果没有充分考虑基础不均匀沉降和支座强迫变位带来的影响，很可能导致杆件在正常使用期间超出其应力极限的情况。

1.3 忽略弯曲杆件效应，结构整体稳定性验算不足

大跨度结构体系，特别是预应力类超大跨度体系多为拱形或球面结构，弧形杆件的加工工艺一般采用冷弯或热弯，除实际加工弧度与设计理论弧度存在偏差外，设计采用的分析软件也多是用多段线拟合弧形杆件，从理论计算上与实际支座也存在偏差，在轴向力作用下易引起附加弯矩，如考虑不周，则设计杆件的应力会明显小于计算应力，在过往的工程实例中这种偏差甚至达到10%，因此，应特别注意。另外，对于一些跨度大结构较薄的钢结构体系，对结构的几何非线性或者双重非线性的稳定分析也很重要。目前，有些软件不能提供验算功能，导致设计时无法进行相关计算，若结构缺乏稳定性分析，则可能导致结构安全度不够，有时在稳定分析时，荷载情况考虑不充足等因素也可能导致结构失稳。

1.4 施工方案考虑不周，没有考虑工序的影响

大跨度预应力张弦结构的整体刚度由构成结构体系杆件的截面尺寸、节点形式、空间几何形态等因素构成。结构整体刚度和几何形态与施工过程和施工顺序密切相关，结构在形成体系前尚未建立刚度或刚度较弱，不同的施工顺序和不同的安装合拢时间，其温度也不同，也会造成结构体系的几何缺陷，导致结构成形与理论偏差较大，从而影响结构承载力。因此，需要对结构的施工方案和工序进行合理选择并进行严格控制，或者根据最终的成形状态进行安全性核验，否则有可能造成初始杆件内力的变化，导致后期荷载状态下的超载和失稳。

2 结构施工过程中的主要质量问题

2.1 节点的隐蔽焊缝遗漏和螺栓假拧

大跨度管桁架的节点一般采用相贯节点，在节点相贯处往往会出现多根杆件交汇的情况，通常主管直径要比支管直径大，这样相贯节点处的各管件也会有足够的焊接间隙。但也有特殊情况，个别支管管径与主管管径相近，这样就会出现多根杆件相贯的情况，产生隐蔽焊缝。如果施工中隐蔽焊缝的焊接难度大，或设计图纸没有对隐蔽焊缝是否焊接提出具体明确的要求，就有可能导致隐蔽焊缝未施焊，从而使节点承载力下降。因此，设计时必须明确隐蔽焊缝施焊。在实际施工中，不易焊接的隐蔽焊缝可采取开手孔或截断杆件的方法施焊，完成后再对手孔或管节进行封闭，以完成焊缝焊接，否则，节点焊接施工质量无法保证。对于螺栓球网壳结构储煤棚来说，节点存在的主要问题是高强螺栓连接的问题，主要表现在螺栓拧入深度不够、螺栓安装不到位、螺栓强迫安装等，该问题会导致结构安装偏差、节点承载力不足。螺栓后期在应力作用下可能被拔出，破坏局部节点，从而导致全部结构倒塌，特别是在高空散拼状态下，安装人员高空作业，螺栓施工监护不到位，容易出现此类问题。

2.2 预埋件安装偏差或支撑架稳定性不足

大跨度结构下部混凝土或挡墙施工往往由另一家施工单位负责。在土建预埋件施工前，结构施工单位与基础施工单位未进行技术对接，可能造成结构支座预埋件预埋偏差，出现埋件水平或标高偏出设计位置，导致后续结构施工时支座定位不准确，形成支座强迫就位，而存在支座初始应力，在外联荷载下有可能出现超应力。支撑架稳定性方面，主要体现在储煤棚拼装阶段，很多大跨度储煤棚拼装采用高空原位拼装的方法，拼装需要搭设临时支撑架，拼装跨度越大，支撑架高度越高，对于150m以上大跨度结构，支撑架高度可达40多米，在使用前，应对这些支撑架进行整体稳定性以及在风荷载、安装荷载作用下的局部稳定性验算，并分析杆件的弯曲和约束条件，否则可能因支撑架失稳而导致结构垮塌。

2.3 拼装、吊装阶段的验算不充分以及附加吊挂荷载影响

大跨度预应力煤棚结构的安装通常采用原位安装、分段吊装、高空拼接的方法，桁架结构需在地面进行分段拼装，拼装完成后进行吊装组装。因此，在分段桁架翻身、脱胎，吊装时就会存在吊点选择和承载力验算的问题，吊装时应充分考虑吊钩起吊的放大效应以及各节点、各杆件的强度和稳定情况在吊装状态下的变化。吊点选择好后不能随意改动，否则容易造成局部钢件屈服、断裂。

2.4 结构材料不合格和钢材下差问题

近几年，我国钢材产量不断攀升，产量已跃居世界前列，钢材产量虽大，但质量参差不齐，特别是一些非正规厂家生产的铸件或钢材，往往存在碳含量超标、生产率低、冲击韧性差等问题，甚至材料中可能夹杂杂质或气泡等，这些材料若应用于结构，必然会对结构本体造成隐患。目前，结构杆件用的钢管主要使用的是无缝钢管和直缝钢管，市面上无缝钢管普遍是上差的，而对于直缝钢管则往往存在着负偏差，虽然符合国家规定的材料偏差标准，但在设计时往往是按正常直径计算的管径取值，在采购材料时，若对材料的控制不严有可能造成杆件的壁厚与设计的要求差距变大，用于结构中会造成局部杆件应力超出设计强度。因此，大跨度的储煤棚在设计时应特别注明不要采用具有下差的钢管材料。

3 结构使用过程中的侵蚀破坏问题

结构使用过程中存在的主要问题是空气对结构的自然腐蚀、储煤棚内煤堆的侵蚀和煤粉自燃问题。目前，储煤棚结构由于生产工艺的要求，设计堆煤通常采用堆取料机两边对称落地的柱面体形，但在实际使用过程中，为了增加储煤量，往往采用推煤机、挖掘机等设备将煤堆到柱边甚至覆盖部分结构构件，不但造成柱脚支座或基础短柱挤压，改变上下结构内力，而且长期遭受煤堆覆盖的杆件或支座节点易被侵蚀破坏。煤棚内的煤粉长期与空气接触会慢慢自然氧化而积热，热量如果不能及时释放，则会引起煤堆自燃，这种现象在储煤过程中时常出现，一般煤棚均设有灭火降温设施，煤粉自燃会分解产生含有氮、氢、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢以及一些复杂的有机化合物，这些成分虽然含量很小，但对钢结构工程的腐蚀危害是不可忽视的。这些有害物质中二氧化硫影响最大，当空气介质中存在硫化氢、硫醇等有机杂质时，这些气体溶于空气中的水分呈酸性体，酸性介质环境会加重金属表面的腐蚀，加快结构接触面的腐蚀速度。由于储煤棚长期处于这种气体侵蚀环境中工作，必须重视钢结构表面的防腐处理，以免影响其使用寿命。

4 对极端自然条件考虑不足

极端自然条件是指常年不遇的极端降雪和极端风荷载条件。随着全球气候变化，极端天气出现的频率越来越高，特别是降雪地区的极端天气甚至会超出50年的重现期，虽然在一些雪灾较严重的地区出台了一系列特殊雪荷载的计算要求，但对于特殊地区或对雪荷载比较敏感的轻型结构，还是建议按照百年降雪重现期考虑，尤其是预应力张拉的桁架煤棚、拱形煤棚，这些煤棚对于雪荷载非常敏感，如果考虑不足，将导致结构抵御极端雪荷载的能力不足。对于极端的风荷载，由于大跨度结构屋面自重较轻，在风荷载下，对局部屋面薄弱部位易造成破坏、脱落甚至撕裂，出现这些问题的主要原因是屋面围护结构在风荷载计算时考虑不足，取值偏小导致的。因此，超大跨度结构的风荷载取值必须采用风洞试验的方法来获取不同风向下的风压，方能保证围护结构设计的可靠性和安全性。

5 结构运营期间健康监测不足

大跨度储煤棚是大型企业煤场环保封闭的重要设施，结构在设计环节、施工环节内力和位移的情况是否与结构验收的要求相符，以及结构在后续的长期运行期间能否保证安全是非常重要的考量内容。由于大跨度煤棚结构在运行期间可能会因极端荷载、生产事故、地震外力等外部因素造成结构本体损伤，这些损伤通常包括结构材料特性的改变或结构几何体系和边界条件体系的改变，是影响结构运行稳定和服务寿命的重要因素。因此，建议使用单位在大跨度煤棚运行期间进行全寿命的健康检测。健康检测主要是通过分析和采集结构使用过程中随时间推移产生的变化数据，通过数据进行结构安全性分析，其内容主要进行结构变形监测、杆件应力监测、预应力索力监测以及结构杆件和围护结构的腐蚀监测。对于监测工作来说，监测内容和观测位置需由施工单位联合设计单位确定，一般需要检测杆件的应力、支座沉降和拉索索力的监测，监测点可考虑设置在结构上弦主管的跨中位置和两侧等分对称点部位，下弦设置在拉索的两边点和跨中，应做到对每架桁架进行监测。

6 结语

综上所述，现阶段应加强对大跨度储煤棚特别是超大跨度预应力储煤棚设计、施工、运行等各阶段的跟踪、监测、监督，对目前设计、施工、运维等过程中存在的问题进行深入分析和研究，借助先进的模拟计算模型和数据分析软件，采用安全可靠的安装施工方法，建立长效的检测检查机制，积极探寻可行性对策，从多方面采取措施确保大跨度结构的施工安全与运行稳定。