随着国内经济发展和环保意识的提高,封闭式干煤棚得到了广泛的普及和应用。同时,随着电力需求的不断增加,大型火力发电厂电站的建设需要跨度大、净空高的干煤棚满足其原煤的存储和作业空间。

中建科工北方大区与北京科技大学校企联合共同开展课题《大跨度干煤棚结构方案选型及施工关键技术研究》。研究团队针对50m~250m跨度的干煤棚结构,通过对比静力性能、用钢量和稳定性等指标,研究不同结构的特点,为干煤棚的选型提供参考依据。本文将针对不同跨度下结构选型进行介绍。

干煤棚结构需要能满足一定的净空工作,有受力性能稳定、经济指标优越、施工安装方便等要求。目前,可用于干煤棚的结构形式众多,主要的结构形式有网架结构、网壳结构、管桁架结构、预应力拱形结构和充气膜结构等。

对于50m~120m甚至150m跨度的封闭煤场,选用双层网壳结构较为经济,如柱面网壳和球面网壳。常用的柱面网壳有圆柱面网壳或三心圆柱面网壳;网格单元常见的有正放四角锥、斜置正放四角锥和正放抽空四角锥等形式,其中正放四角锥圆柱面网壳受力均匀,使用最为广泛;对于跨度超过150m的干煤棚结构,采用增加预应力拉索的方式与网壳或管桁架结构形成张弦拱体系,可改善结构的受力性能,增加结构刚度,减小杆件峰值内力和下部基础的水平推力;充气膜结构是一种比较新颖的结构,利用充气膜的内外压力差来抵抗自重和风雪荷载。这种结构施工效率高、工期短,跨度可达200m以上。

充气膜的内压设定

某斜交索网加强的充气膜结构计算

充气膜结构的节点构造设计

上述空间结构均能满足干煤棚结构对跨度和高度的要求,但结构的受力性能和技术经济指标等方面有一定的差异。针对不同的跨度和外形需求,可具体选取不同的结构形式。

50米跨度结构设计选型

尺寸50m*75m,矢跨比0.3,矢高15m,厚跨比1/3.3,厚度1.5m。

表1为不同结构形式用钢量对比。抽空正放四角锥能降低20%用钢量,其中用钢量最低的为抽空正放四角锥圆柱面网壳。增加山墙的网壳使得结构总钢量增加。三心圆柱面网壳钢量略大但使用空间要优于圆柱面网壳。结构变形如表2所示,均满足规定要求,三心圆截面的竖向挠度要明显高于圆柱面截面形式。从杆件内力看(表3),除球面网壳外,抽空正放四角锥圆柱面网壳杆件峰值压力最小,而抽空形式的三心圆柱面网壳弦杆峰值压力增加。结构的弹性稳定系数如表4所示,各类型的结构均能满足弹性安全稳定系数要求。
综上所述,当跨度为50m时,采用抽空正放四角锥三心圆柱面兼具经济、安装方便、使用空间大和安全性稳定。

100米跨度结构设计选型

尺寸100m*150m,考虑施加预应力索,矢高取40m,矢跨比0.4,厚跨比0.035,3.5m。

从用钢量看(表5),采用抽空正放四角锥相比正放四角锥结构增加了用钢量。三心圆柱面网壳中,管桁架的用钢量最少。正放四角锥圆柱面网壳用钢量略高,布置两侧山墙或竖直段提高了整体的用钢量。布置下垂索对主体结构用钢量的影响不明显。从刚度上看(表6),各种形式均满足规定要求,增加山墙可提高侧向刚度,水平侧移是柱面网壳中最小。表7为杆件内力峰值和支座反力最大值。跨度较大时,抽空四角锥形式的优势不再突出,会明显增加腹杆压力和弦杆拉力峰值。从稳定性看(表8),除改进型铰接六杆四面体圆柱面网壳外,均能满足稳定要求。综上所述,100m跨距时采用正放四角锥三心圆柱面网壳或管桁架为宜,两者的受力性能和用钢量较为接近,三心圆柱面网壳的稳定系数要高于管桁架,但两者都能满足规范要求。

150米跨度结构设计选型

尺寸150m*200m,矢跨比0.3,矢高45m,厚跨比0.028,4.2m。

从表9可以看出,当跨度为150m时,正放四角锥三心圆柱面网壳结构的整体用钢量为54.7 kg/m2,布置了下垂索后整体用钢量略有增加。管桁架结构的用钢量低于网壳结构。从刚度看(表 10),各种形式的变形均满足规定要求。未施加预应力的网壳和管桁架变形比较接近。网壳和管桁架增加下垂索后,竖向挠度下降明显。对于增加斜拉索的管桁架,竖向和侧向位移减小。表11为杆件内力和支座反力最大值。三心圆柱面网壳结构的最大弦杆压力超1000KN,需要使用焊接球。布置下垂索能降低峰值压力20%。再增加斜拉索后,杆件内力和支座反力均低于下垂索形式。由表12可以看出,各类结构均能满足稳定性的要求。综上所述,在跨度为150m时,采用三心圆管桁架-下垂索+斜拉索最为较经济,增加斜拉索能改善结构侧向刚度,但斜拉索减小了内部使用空间,若风荷载影响相对较小可考虑仅布置下垂索。

200米跨度结构设计选型

尺寸 200m*200m,矢跨比 0.25,矢高 50m,厚跨比0.02,4m。

对比不同结构类型用钢量,如表 13。圆柱面网壳用钢量为58.6kg/m2,但三心圆柱面网壳用钢量要高出30%,达到78 kg/m2。在非预应力管桁架结构形式中,矩形截面管桁架用钢量最大,其次是倒三角截面形式。3+4的组合截面形式用钢量最小,为67.6 kg/m2。在施加下垂索情况下,倒三角截面用钢量下降7%。在组合预应力布索方案中,多布置了斜拉索,3+4组合截面形式的用钢量为57.3 kg/m2,比非预应力情况下降了15%。从表14可知,圆柱面网壳的竖向挠度最小。非预应力的网壳和管桁架竖向挠度均超过了500mm,影响正常使用。布置下垂索能降低20%左右的竖向挠度。表15从杆件内力看,网壳的最大腹杆、弦杆内力分别超过1000kN、3000kN。非预应力管桁架腹杆、弦杆内力分别超过2000kN、6639kN。从表16看,各类结构均满足稳定要求。综上所述,跨度为200m时,可采用3+4的组合截面形式用钢量最小,并且布置下垂索能明显改善内力峰值,若风荷载作用明显,可采用下垂索+斜拉索形式。

250米跨度结构设计选型

尺寸250m*200m,矢跨比0.3,矢高55m,矢厚比0.028,5m。

由表17可知,相比200m跨度,预应力对网壳的用钢量影响不明显。管桁架结构的用钢量有明显的增加,非预应力管桁架已经超过100 kg/m2。从柱距看,15m柱距倒三角截面管桁架用钢量是非预应力管桁架中最低的。布置下垂索能减少20%用钢量。倒三角+下垂索用钢量最低,仅为80.5 kg/m2。表18中,非预应力的网壳和管桁架竖向挠度均超过600mm,影响正常使用。布置下垂索能降低近50%的竖向挠度。从表19可看出,对于3+4组合截面,柱间距大的弦杆峰值内力大,15m比25m柱间距的峰值压力和拉力下降约50%,支座反力下降了38%。布置下垂索降低了50%的峰值压力和70%的峰值拉力,水平支座反力下降了33%。从表20看,各类结构均满足稳定性要求,其中圆柱面网壳稳定系数最大。综上所述,采用15m柱间距,倒三角截面形式的管桁架-下垂索结构是最为经济的。但从弦杆内力看,组合截面形式的管桁架-下垂索峰值内力相对是最小的。

随着大跨煤棚的应用越来越广,本课题的研究成果可以为承接大跨度项目提供切实可行的技术支持。参考研究报告可以选择合理的结构方案,节省用钢量及造价,为市场端和技术端提供强力支点。

本文转载自公众号中建科工北方大区 钢结构

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