米跨度干煤棚心圆柱面网壳研究与设计.doc

108米跨度干煤棚三心圆柱面网壳研究与设计罗尧治 胡宁 沈雁彬（浙江大学空间结构研究中心） 摘 要：鸭河口电厂干煤棚跨度为108米，是目前亚洲跨度最大的柱面结构。本文从结构选型、受力分析、结构设计、构造措施等方面进行详细的研究并给出比较确切的风载体型系数。根据干煤棚结构的特点，结合作者以往的设计经验和相关课题的研究成果，阐述了煤棚设计和实际使用中注意的问题，并提出一些重要的建议。本文对大跨度煤棚结构的设计和推广具有一定的指导意义。 关键词：干煤棚；三心圆柱面网壳；结构设计；体型系数 一、概述 干煤棚是火电厂中存储煤的一种大型库房。干煤棚结构要求跨度大、净空高，满足存储和作业空间。干煤棚结构发展至今已有二十年的历史，使用过的结构形式主要有平面刚架、平面桁架、平面拱以及柱面网壳结构。根据已经建成的干煤棚结构的技术经济指标的比较[1]，柱面网壳具有明显的优势，目前已成为干煤棚结构的主要结构形式。 河南省鸭河口电厂干煤棚设计跨度108米，长度90米，采用正放四角锥三心圆柱面双层网壳的结构形式，是目前亚洲跨度最大的三心圆柱面煤棚结构。 虽然鸭河口电厂干煤棚的跨度很大，但是由于经过优化设计，采取合理的构造措施，使该煤棚结构的技术经济指标比较理想。现将煤棚中使用柱面网壳形式的部分工程进行技术经济指标的比较（表1）。 表1 部分柱面网壳干煤棚结构的技术经济指标 ???? 指标 工程名称 平面尺寸 跨度′长度 ?(m′m) 网格形式 节点形式 支承 位置 最大 杆件(mm) 最大 球径(mm) 用钢量(kg/m2)（投影面积） 建成 日期 嘉兴电厂 103.5 ′88 斜置 四角锥 螺栓球和焊接球 双排 支承 ?273 ′16 650 62.2 1994 台州电厂二期 80.144 ′82.5 正放 四角锥 螺栓球和焊接球 双排 支承 ?219 ′14 550 47 1996 石门电厂二期 75 ′113.4 抽空正放四角锥 螺栓球 下弦 支承 ?219 ′20 ? 300 51 1995 湘潭电厂B厂 75′52 正放 四角锥 焊接球 下弦 支承 ?168 ′12 ? 400 34 1999 益阳电厂 75′108 正放 四角锥 螺栓球 下弦 支承 ?180 ′12 ? 240 44 2000 本工程 108′90 正放 四角锥 螺栓球 上弦 支承 ?159 ′10 ? 260 44 2001 二、结构形式和几何尺寸确定 2．1 结构形式确定 柱面网壳中使用的网格形式通常有正放四角锥形式，正放斜置四角锥形式，抽空四角锥形式及桁架式等。桁架式网壳的空间受力性能不佳，侧向稳定性差。正放斜置四角锥形式传力不直接，在两边开口处杆件内力集中。正放四角锥形式通过跨向的弦杆将力直接传递到附近的支座，传力路径直接明确。因此，本工程采用正放四角锥形式。 2．2????????? 几何参数确定 ?????? 鸭河口电厂干煤棚采用三心圆柱面网壳形式。三心圆柱面网壳有受力合理、结构刚度大、施工方便的优点，并且可以充分利用室内空间，降低结构标高。 (a)总平面图???????????????????????????? (b)正立面图 ?侧立面图 图1 干煤棚结构几何尺寸 ?????? 三心圆柱面网壳的受力性能与体形有密切的关系。决定三心圆柱面体形的几何参数主要有[2]：跨向网格尺寸、跨向网格数、落地角（柱面圆弧在支座处的切线与竖直面的夹角）和网壳厚度等。这些几何参数的变化导致网壳技术、经济指标有规律的变化。当一个几何参数增大而其它参数不变时，各项技术、经济指标的变化趋势如表2所示。 表2 几何参数对结构技术、经济指标的影响 ? 矢高 内力峰值 挠度 水平推力 用钢量 跨向网格尺寸a增大 增大 减小 减小 减小 增大 跨向网格数N增大 增大 减小 减小 减小 增大 落地角b增大 增大 减小 减小 增大 减小 网壳厚度h增大 ? 减小 减小 增大 增大 ?????? 在煤棚的结构设计中，斗轮机的工作范围是决定体形的重要因素，研究表明[2]，结构内侧越靠近斗轮机工艺界线，结构的展开面积越小，其用钢量越省。 ?????? 依照参考文献2的方法，对结构几何参数进行优化设计，最后确定跨向网格尺寸为3.95米；跨向网格数为37格，其中大圆的半径R=70.1389米，圆弧夹角61.32°，网格数为19格，小圆半径r=37.4996米，圆弧夹角54.34°，网格数为9格；落地角为5°；网壳厚度为3.5米。 2．3 支座位置的选择 落地柱面网壳结构通常有三种支承方式：上弦节点支承、下弦节点支承和上下弦节点共同支承。表3所示为三种支承方式各项技术、经济指标的比较。 上弦支承与下弦支承相比，内力峰值减少33%，杆件内力变化