干煤棚三心圆网壳工程实际案例

三心圆网壳工程实际案例

北京首钢国际工程技术有限公司 张渊 整理

案例一：

XX电厂是XX电力设计院按2000年示范电厂模式设计的2*330MW火力发电厂，其大跨度干煤棚通过反复比较，最后采用了改进的带直段的三心圆网壳结构，如下图。干煤棚网壳网格尺寸3.75 m *3.75 m *2.8m，钢筋混凝土柱支承、柱高度2.5 m、纵向间距7.5 m。同常规的落地三心圆不同，带直段的三心圆网壳方案具有以下优点：

1、 小圆圆心高度为10 m左右，能有效地解决网壳支座被煤腐蚀的问题，避免支座附近杆件被煤压弯及被推煤机撞坏的可能事件的发生；

2、 干煤棚网壳柱支承柱纵向间距7.5 m，必要时可以在柱间抽空局部杆件，方便推煤机沿横向出入，加强了干煤棚和露天煤场的联系，改善了交通组织；

3、 在同等有效容积的前提下，干煤棚跨度S可以减少10%左右，占地面积相应减少。

干煤棚网壳的外形：跨度S可以根据工艺专业提供的堆煤线和斗轮机运行包络线确定，网格尺寸L一般为3.75~4m，另外根据推煤机运行的空间尺度要求，图中的N3一般取2。确定的未知数5个：小圆的网格数 N1和半径 R1，大圆的网格数 N2和半径 R2、相交角x；其中隐含的条件为大圆小圆的网格数均为整数且网格尺寸L相等，直线段、三圆弧段在交点处相切。

根据上图，分别对于小圆和大圆有：

1212111NxCosRNxSinRNxSinL

即：1212NxSinLR （公式1-1） 2222222222NxCosRNxSinRNxSinL

即：22222NxSinLR (公式1-2)

2R1+2*(R2-R1)*Cos (x)=S (公式1-3) 成立；

简化，建立以x为未知变量的函数F(x)：

F(x)=S12NxSinL（222NxSinL12NxSinL）*Cos（x）=0；

根据工程经验，N1建议的取值范围为： 2、3、4；显然：S<=(2N1+N2)*L<=0.5*3.14*S，即N2为满足：(S/L-2N1)<=N2<=(0.5*3.14*S/L-2N1)的整数，在0

采用该方法确定如下干煤棚尺寸：

相关参数：干煤棚跨度92m，网格尺寸L为3.75mX3.75m，网壳直段网格数N3

为3，小圆网格数N1为4，小圆半径R1为14999mm，大圆网格数N2为22，大圆半径R2为72618mm，相交角x为57.4度。最后干煤棚断面如下：

恒荷载：0.25KN/m2,活荷载:0.3KN/m2.雪荷载：0.40KN/m2.基本风压0.4KN/m2,地面粗糙度B类。抗震设防基本烈度6度。通过对比不同跨度、厚度和矢跨比对网壳用钢量的影响如下：

案例二：

根据XX电力设计院设计的某电厂干煤棚采用三心圆双层柱面网壳结构，长91m，跨度92m，总覆盖面积为8372m2。最后确定跨向网格数为40格，在组成三心圆柱面网架的3个圆弧中，大圆半径R1=72.617m，圆弧夹角为65.1o，网格数为22格，两个小圆半径R2=14.999m，圆弧夹角均为57.5 o，网格数为4格，落地角为0o。两端下方各接一段长度为11.25m的平板网架。为满足腹杆和弦杆夹角在30 o~60 o之间，网架厚度在2~4.6m之间取值，文中对不同厚度的网架进行试算。结构整体三维图如下所示：

荷载取值如下：

1. 恒荷载：屋面钢彩板及主次屋面檩条体系，网架上弦均布荷载取值为0.25KN/m2,网壳自重由程序自动计算。

2. 活荷载：柱面网架的活荷载主要由雪荷载及屋面活荷载产生，根据火力发电土建结构技术规定（DL5022-93），采用轻质屋面的干煤棚屋面活荷载为0.3KN/m2。根据建筑结构荷载规范，当屋面坡度>45o,可不考虑积灰；根据设计地点50年一遇基本雪压值为0.45KN/m2，故屋面活荷载取0.45KN/m2。

3. 风荷载：设计地区 50年一遇的基本风压为0.45KN/m2，建筑地面粗糙度类别是B类。在网壳设计中，风荷载是主要荷载，两头开敞的三心圆柱面网架结构，风荷载体形系数在《建筑结构荷载规范》中没有规定，并按《建筑结构荷载规范》的封闭式落地拱型屋面的体型系数进行复核，本工程采用的体型系数见表1，对应简图见图2，对比表中数据可以看出，类似工程与封闭式拱型屋面的体型系数相差很大，因此，进行风洞试验是必要的。

表一如下：

4. 温差作用：根据该地区实际情况，取温差为20度。

5. 地震作用：根据该地区实际情况选取。一般不起控制作用。

荷载工况组合如下所示：

边界条件的确定是网架结构分析的重要一步，一般情况下支座下部结构刚度越大对网架的约束越大。网架自身内力越小，与此同时，支座和下部结构要承受较大的反作用力。

初步计算得出的支座处横向水平力达到300KN，因此对于下部悬臂的支撑短柱$是不能考虑为网架的刚性支座的，故设计中输入下部支撑混凝土短柱的实际刚度，按弹性支座考虑。

此外虑网架传力的复杂性，构件在加工运输安装中的诸多不利因素，以及在电厂特殊环境下实际外荷载和支撑条件的不确定性，宜将杆件的强度设计值降低.因此将干煤棚网架杆件的强度设计值取为180N/mm2。

杆件长细比控制：压杆<=150,拉杆<=200.

最小杆件控制:考虑结构的重要性以及腐蚀等因素,最小钢管圆73X3.75mm。

最后给出不同厚度网架对用钢量的对比：

案例三：

嘉兴电厂装机容量的需要,电厂干煤棚的设计跨度为10.3sm,长度88.0m。

方案比选：嘉兴煤棚的外形考虑了两个方案。一是圆柱面,另一是接近于椭圆的三心圆柱面.计算表明:如采用三心圆柱面,则结构顶部标高为37.27m;而如采用圆柱面外形,则当柱面顶部标高为38.0m时,结构下弦位于工艺界线内,不然.顶部标产须为42.0m。经过计算,采用圆柱面外形时其空间利用率较低。故在实际工程中采用了三心圆柱面。

最后立面如下图所示:

荷载取值如下：

沿网架曲面均匀分布的自重和静载qd,取qd=0.3 KN/m2,沿水平均匀分布的活载qe或雪载qs,比较后取0.3 KN/m2;风载根据项目当地取qw=0.6 KN/m2;均匀的温差取士30℃。

边界条件的选取：

支座沿X、Y方向的弹性约束刚度分别为15kN/cm和25kN/cm，简记为 B.C.1;支座沿Y方向的均匀水平强迫变位分别为一1.25cm和1.25cm，简记为 B.C.2;结构中部和端部支座有支座间距的千分之一即0.4cm不均匀沉降差,简记为B.C.3。

由于风荷载是主要荷载。具有三心圆曲面的结构有别于园柱面结构,况且结构的两端是开口的。因此,需通过风动试验来确定结构的体型系数。图6和表1显示了结构的体型系数μs。地面粗糙度为A级。风压高度分布系数和体型系数,均由程序逐点计算。

荷载工况的选择：

经静力分析后按以下方式进行效应组合:

1)静载+活载;

2)静载+活载十温度(△t=士30℃);

3)静载+风载(w1及w2);

4)静载+活载+温度+沉降(.BC·2及B·.C3);

5)静载+风载(w1)+沉降(B.C·2及B.C.3)

经分析表明:二分之一跨满布活载作用的影响不大,故可不予考虑.而第4)组组合中温度和沉降均是长期作用的结果,因此这一组组合不尽合理,且在算法上也不无问题。

经初算得出两组具有不同安全系数的参考截面,其耗钢量分别为62.2kg/m2和80.1kg/m2。最后的重新设计是以62.2kg/m2的参考截面进行的。

有益的建议：

1.对于温差引起的内力不宜采用增加截面的办法来克服,而应通过调节支座约束刚度,在确保结构不发生刚体位移的前提下减少支座的约束度以释放温度内力。

2. 对于因不均匀沉降和堆载的影响使支座产生强迫位移而引起的附加内力,也不宜采用增

加截面从而增加了结构刚度的办法来处理。由于在本工程参考截面的选择时,其杆件设计强

度作了较大的削减,因此在考虑了边界影响之后,极大多数的杆件应力并未发生严重出超。而

通过对支座沉降的验算后,可对结构基础的强度和刚度设计以及地基的处理提出明确的要求。

本工程中,限制两边拱基础的变形是至关重要的。为了经济地设计好这类结构,对于具有大

面积堆载的干煤棚,采取加载预压和隔离措施是十分必要的。

3. 分析表明,在本工程中30 o风载会带来最不利效应。极大多数需设计的杆件都是根据30 o风载效应进行的。所以建议改变屋面表面轮廓,开设通风口,降低风压。