段香鑫 李聰聰

關(guān)鍵詞：SAP2000;鋼柱一索桁架儲(chǔ)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu);大跨度;對(duì)比分析

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，露天煤場(chǎng)對(duì)自然環(huán)境的污染也日益嚴(yán)重，所以對(duì)儲(chǔ)煤倉(cāng)進(jìn)行全封閉改造是國(guó)家政策的明確要求。目前應(yīng)用最廣泛的全封閉式儲(chǔ)煤倉(cāng)是鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤倉(cāng)，然而鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤倉(cāng)依然存在高空作業(yè)多帶來(lái)的墜落風(fēng)險(xiǎn)大、焊接難度大、費(fèi)用較高的問(wèn)題。若將鋼柱一索桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)用于儲(chǔ)煤倉(cāng)，其不僅具有和普通鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤倉(cāng)相似的優(yōu)點(diǎn)，還可解決普通鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤倉(cāng)存在造型不夠靈活、高空作業(yè)較多、屋面系統(tǒng)自重大且用鋼量較多的問(wèn)題。同時(shí)符合現(xiàn)代工業(yè)對(duì)快速、大規(guī)模生產(chǎn)的要求，并結(jié)合儲(chǔ)煤倉(cāng)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)鋼柱一索桁架結(jié)構(gòu)形式是否適用于儲(chǔ)煤倉(cāng)進(jìn)行研究。

1鋼柱一索桁架儲(chǔ)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)體系的確立

根據(jù)實(shí)際儲(chǔ)煤倉(cāng)的初步構(gòu)件設(shè)置，確定鋼柱一索桁架儲(chǔ)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要包括鋼桁架、鋼柱、檁條、拉條、屋面板、墻面板、索桁架、連系索。通過(guò)SAP2000軟件對(duì)45米跨度鋼柱一索桁架儲(chǔ)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件形式、截面種類(lèi)進(jìn)行優(yōu)化及對(duì)比分析，確立一個(gè)完整的鋼柱一索桁架儲(chǔ)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)體系。在鋼結(jié)構(gòu)體系中鋼柱的截面形式通常選用H型鋼，因?yàn)槠渚哂袕?qiáng)度高、截面模數(shù)大等特點(diǎn)，所以鋼柱的截面形式將采用H型鋼。其他具體構(gòu)件見(jiàn)下文。鋼柱一索桁架儲(chǔ)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

1.1檁條及拉條的確定

本結(jié)構(gòu)檁條的截面形式采用c型鋼，其特點(diǎn)為：c型鋼經(jīng)熱卷板冷彎加工而成，壁薄自重輕，截面性能優(yōu)良，強(qiáng)度高。拉條主要材料一般為Q235線(xiàn)材生產(chǎn)。鋼柱一索桁架結(jié)構(gòu)體系中墻面檁條將采用標(biāo)準(zhǔn)截面，間距為1.5米。本結(jié)構(gòu)柱距為9m，需設(shè)置兩道拉條。

1.2墻面板及屋面板類(lèi)型的確定

以經(jīng)濟(jì)實(shí)用、設(shè)計(jì)跨度較大、安裝便捷為前提，選用適用于鋼柱一索桁架柔性屋面的HV-125（YX38-152-914型）壓型鋼板，墻面板將采用HV-248壓型鋼板，其特點(diǎn)為有效利用面積大、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、波峰規(guī)則、視感清潔美觀。

1.3鋼桁架構(gòu)件截面形式的確定

鋼桁架截面形式的優(yōu)化是在給定的約束條件下最大極限使用每個(gè)構(gòu)件，從而達(dá)到降低工程成本的目的。本文將采用最為常見(jiàn)的三種構(gòu)件種類(lèi)（圓鋼、角鋼、方鋼管）進(jìn)行優(yōu)化和對(duì)比分析。根據(jù)三種構(gòu)件截面種類(lèi)（圓鋼、角鋼、方鋼管）優(yōu)化結(jié)果可知，三種截面的鋼桁架在風(fēng)荷載主導(dǎo)的最不利荷載下，節(jié)點(diǎn)位移、變形特征以及具體數(shù)值相似，應(yīng)力分布以及最大拉壓應(yīng)力數(shù)值相似。在考慮節(jié)省鋼材以及構(gòu)件連接簡(jiǎn)便的前提下，鋼柱一索桁架結(jié)構(gòu)采用L型角鋼作為鋼桁架的構(gòu)件種類(lèi)。

1.4索桁架形式的確定

由于鋼柱一索桁架結(jié)構(gòu)屋面是柔性的且用于儲(chǔ)煤倉(cāng)，以經(jīng)濟(jì)實(shí)用性、設(shè)計(jì)跨度較大、安裝便捷為前提，所以鋼柱索桁架屋面板選用適用于柔性屋面的HV-125（YX38-152-914型）壓型鋼板，墻面板將采用HV-248壓型鋼板，其特點(diǎn)為有效利用面積大，經(jīng)濟(jì)實(shí)用;波峰規(guī)則，視感清潔、美觀，螺釘隱藏在波谷內(nèi)。

1.5三種索桁架形式的對(duì)比分析

由表1可知，斜腹桿平行交叉式索桁架不論是索直徑還是屋面整體位移都是不如倒斜腹桿平行魚(yú)腹式索桁架和倒斜腹桿交錯(cuò)車(chē)幅式索桁架的，所以首先排除斜腹桿平行交叉式索桁架作為最終結(jié)構(gòu)形式。雖然倒斜腹桿交錯(cuò)車(chē)幅式索桁架和斜腹桿平行魚(yú)腹式索桁架構(gòu)件相比，存在內(nèi)部?jī)艨沾?、?gòu)件應(yīng)力相似且屋面位移相對(duì)較小，但是由于車(chē)幅式索桁架中部沒(méi)有任何坡度是平行于水平面的，且變形形式為中部凹陷，所以存在排水問(wèn)題無(wú)法解決。而倒斜腹桿平行魚(yú)腹式索桁架中部存在較大坡度利于排水，且中部節(jié)點(diǎn)位移也足夠小，所以鋼柱一索桁架結(jié)構(gòu)的最終索桁架形式選取為倒平行魚(yú)腹式索桁架結(jié)構(gòu)形式。

2 90m跨度鋼柱一索桁架結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤倉(cāng)的性能分析

90m跨度鋼柱一索桁架結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤倉(cāng)的實(shí)際工程概況：整體模型采用鋼柱一魚(yú)腹式索桁架結(jié)構(gòu)。模型跨度為90m，縱向長(zhǎng)度117m，主柱柱距為9m，高18m，抗風(fēng)柱柱距為9m，高18～20.9m。其中主柱邊界條件為剛接，抗風(fēng)柱邊界條件為兩端鉸接。幾何構(gòu)件圖如圖2所示。

通過(guò)有限元軟件SAP2000對(duì)90m跨度鋼柱一索桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次構(gòu)件截面及預(yù)應(yīng)力荷載的優(yōu)化調(diào)整，得到最終構(gòu)件截面的設(shè)計(jì)結(jié)果，之后對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行構(gòu)件驗(yàn)算，確保構(gòu)件設(shè)計(jì)的安全性。其設(shè)計(jì)構(gòu)件截面數(shù)據(jù)如表2所示：

荷載類(lèi)型：恒荷載：（結(jié)構(gòu)自重）。

積灰荷載：0.75kN/m2。

活荷載：0.5kN/mE。

基本雪壓：0.25kN/m2。

積雪分布系數(shù)：1或2。

活荷載和雪荷載取較大值計(jì)算，如果最大值一樣，活荷載相比雪荷載在荷載組合中更為不利，所以將采用活荷載進(jìn)行計(jì)算。

驗(yàn)算結(jié)果整理與分析。由表3可知，在索桁架中所有構(gòu)件的應(yīng)力均為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為890MPa出現(xiàn)在斜拉索處，連系索與上下弦索內(nèi)應(yīng)力在250～600MPa之間且應(yīng)力分布均勻，且最大應(yīng)力結(jié)果小于拉索的容許值的=1960MPa的三分之二，滿(mǎn)足《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的應(yīng)力設(shè)計(jì)要求。撐桿中同時(shí)存在拉壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為246MPa，分布在索桁架的中部，最大壓應(yīng)力為260MPa，分布在索桁架的邊部，且最大拉壓應(yīng)力均小于300MPa，滿(mǎn)足《新鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中桿件強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。屋面的最大撓度為490mm，分布在屋面中間位置，屋面四周撓度僅有20mm左右的撓度變化，滿(mǎn)足儲(chǔ)煤倉(cāng)的排水需求，且跨中撓度結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)總跨度的十五分之一，滿(mǎn)足《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的撓度設(shè)計(jì)要求。主柱的應(yīng)力以受壓為主，最大壓應(yīng)力為260MPa，由于抗風(fēng)柱不承受豎向荷載，所以拉應(yīng)力較大為170MPa。主柱中最大拉壓應(yīng)力均小于300MPa，滿(mǎn)足《新鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中桿件強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。主柱柱頂?shù)淖畲笪灰茷?5.5mm，抗風(fēng)柱的最大位移為132mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于L/150，滿(mǎn)足GB50017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》撓度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。鋼桁架中同時(shí)存在拉壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為230MPa，最大壓應(yīng)力為255MPa，且均小于300MPa，滿(mǎn)足《新鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中桿件強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。鋼桁架x方向的最大位移為45.5mm，Y方向最大位移為60mm，變形情況均為由中心向兩側(cè)逐步遞減，且均小于L/400，滿(mǎn)足GB50017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的撓度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。本結(jié)構(gòu)中墻面檁條的強(qiáng)度及撓度驗(yàn)算雖沒(méi)有詳細(xì)給出，但在設(shè)計(jì)時(shí)也滿(mǎn)足上述規(guī)范要求。通過(guò)SAP2000的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)板塊中對(duì)90米跨度的鋼柱一索桁架結(jié)構(gòu)的進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，結(jié)果顯示鋼柱一索桁架結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。綜上，90米跨度的鋼柱一索桁架儲(chǔ)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)體系具有安全性和穩(wěn)定性。

3結(jié)論

（1）鋼柱一索桁架結(jié)構(gòu)體系可適用于儲(chǔ)煤倉(cāng)工程，且鋼柱一索桁架結(jié)構(gòu)體系中主要構(gòu)件包括鋼桁架、鋼柱、檁條、拉條、屋面板、墻面板、索桁架、連系索。

（2）鋼柱應(yīng)選用H型鋼、鋼桁架應(yīng)采用L型角鋼，并將其豎向放置、墻面檁條應(yīng)采用c型鋼、拉條應(yīng)選用雙層拉條，且應(yīng)在檁條三分點(diǎn)處布置兩道拉條。

（3）鋼柱索桁架屋面板應(yīng)選用HV一125壓型鋼板，墻面板應(yīng)采用HV-248壓型鋼板。鋼柱一索桁架中最優(yōu)的索桁架結(jié)構(gòu)形式為三種索桁架形式（交叉式、魚(yú)腹式、車(chē)幅式）中的倒斜腹桿平行魚(yú)腹式索桁架結(jié)構(gòu)形式。

（4）通過(guò)對(duì)鋼柱一索桁架體系進(jìn)行構(gòu)件截面的具體設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度變形驗(yàn)算顯示，該體系在大跨度儲(chǔ)煤倉(cāng)工程的使用中是具有安全性、穩(wěn)定性的。

（5）本文對(duì)常用跨度進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)的構(gòu)件尺寸在相同使用條件下，能夠給相似工程提供數(shù)據(jù)參考。分析結(jié)果表明隨著鋼柱一索桁架結(jié)構(gòu)跨度的逐步增加，連系索的直徑基本保持不變。