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          全封閉煤棚結構形式與選取原則

          發布時間:2021年3月22日 點擊數:1569

          0 引言

          為落實國家政策要求[1],全面貫徹生態文明建設,需加強煤炭資源綠色開發和清潔利用,原有露天式堆放煤場難以滿足要求,因此對發電廠提出全封閉建設要求。煤棚的全封閉要求能有效削減煤塵排放量,改善大氣環境質量,控制揚塵和霧霾問題。建設全封閉煤棚不僅關系到煤炭資源的合理運用,更關乎經濟、環境等領域的建設和發展,具有重要意義。

          世界上第一座發電廠是1875年于巴黎北火車站建立的電廠,當時作為發電能源的煤炭大多都是露天堆放,相對較好的儲藏形式則是以小木棚進行遮蔽,這也是干煤棚的雛形。1882年,英國人R.W.Little在上海創立了第一座火力發電廠,干煤棚結構隨之在國內產生,之后的100年間,干煤棚結構以露天和半露天形式為主,直到20世紀80年代全封閉煤棚才開始逐步投入使用。全封閉煤棚結構至今已有近40年歷史,從結構早期的平面鋼拱和平面桁架,到柱面或球面網殼等空間結構,再到近年來興起的氣膜煤棚等柔性結構,已投入使用的結構形式多達十余種。本文通過分析這些常用結構形式,根據彼此的異同進行形式分類,并結合工程實際情況,考慮多種因素,給出一個可供參考的結構形式選取原則。

          1 全封閉煤棚結構主要形式及特點

          1.1 剛性結構體系

          1.1.1 平面結構

          在20世紀80年代前,我國干煤棚結構大多采用平面拱結構形式,根據干煤棚尺寸和受力情況,常見的有折線拱、二鉸拱和三鉸拱等,如圖1所示。石洞口二廠項目煤棚選用折線拱結構形式,諫壁電廠項目采用二鉸拱結構形式,賈汪電廠[2]項目采用三鉸拱結構形式。然而,平面拱結構用鋼量通常較大,一般>100kg/m2,出于經濟性考量,工程師們逐漸把目光投向空間結構形式。

          圖1 常見平面拱形式

          圖1 常見平面拱形式   下載原圖

          1.1.2 網架結構

          空間網格結構的起源可追溯至亞歷山大·貝爾,其在1907年設計各種不同結構形式風箏,經過多次試驗,最終建立“四面體風箏”,該結構以正四面體為核心單位,并通過共用節點方式進行支承和連接。

          第二次世界大戰后,因為工業化生產的大力推進和技術發展,空間網格結構作為一種新興結構形式開始得到多方面關注和研究。1964年建立的上海師范學院球類房屋蓋[3]是我國第一幢空間網格建筑物,自20世紀70年代以來,空間網格結構越來越多地投入工程使用,文獻[4]正式對網格結構進行介紹和定義,并歸納其3個特征:由相似尺寸和形式的預制構件組成,通過節點按照一定規律進行連接,具備空間三維受力特性。文獻[5]將網格結構根據外形特征進行分類,平板狀稱為網架,曲面狀稱為網殼。

          空間網格結構技術在蓬勃發展的同時,其適用范圍也在不斷擴大,就全封閉煤棚結構而言,由于其自身用途的特殊性,不能完全地生搬硬套網格結構的典型構造和形式,而是需根據每個工程項目工藝要求、地質條件、荷載條件等具體情況及施工和后期維護的需求進行結構形式設計。

          網架結構是一種通過節點連接的桿系結構,是在國內發展最為迅速并最早得到普及的空間網格結構形式,常見網架形式有平面桁架網架和四角錐網架,如圖2所示。據統計[3],截至1999年底,國內已投入使用的空間網格結構約10 000幢,其中網架結構約占96%,多達9 600余幢。劉錫良[6]總結網架結構能得到廣泛應用的原因可歸納為2個方面:(1)結構自身具有顯著的優越性,結構形式靈活,能適應不同跨度和工程要求;(2)政策支持,這與空間結構委員會開展的大量工作、網架相關規范和資料的編著及網架設計公司的大量涌現密不可分。網架結構剛度大,整體性能突出,受力分布合理,安裝施工方便;谝陨蟽瀯,網架結構在全封閉煤棚工程建設中很快得到實際應用,而且設計用鋼量低,具有很好的經濟效益。

          1995年投入使用的湛江電廠一期項目[7]采用網架結構,該項目由華南理工大學和廣東省水利電力勘測設計研究院聯合設計,位于湛江市東北部調順島。因地處圍海填砂形成的人工海灘上,且位于臺風多發區,支座難以抵抗風荷載作用產生的拱腳推力,因此廢除原有半圓拱結構形式,選用四柱支承式平板網架結構。網架立柱間距79.8m,下部弦桿標高27.600m,正方形網格尺寸為4.2m,能完全滿足半徑約38m的料斗機取料工作,網架用鋼量約為70.3kg/m2,與容量相似的平面結構形式干煤棚相比節約近一半用鋼量。四角錐網架正放抽空[8]的形式既能發揮網架結構整體受力優勢,滿足建筑物功能要求,又很大限度地降低結構用鋼量。

          圖2 常見網架結構形式

          圖2 常見網架結構形式   下載原圖

          網架結構構件之間的連接常采用螺栓球節點、焊接球節點和直接相貫節點。螺栓球節點由諸多成品部件組成,具有現場裝配化程度高、安裝方便等特點。但由于不可避免的構件制作誤差或現場安裝偏差影響,往往會形成裝配內力,這也是近年來螺栓球網架結構頻發安全事故的主要原因之一。焊接球節點和直接相貫節點的現場焊接工作量大,對安裝定位精度控制要求高。構件連接在焊接過程中的冷卻收縮效應也會在結構中形成較高的殘余應力。建議采取措施,如改善焊接工藝或焊接順序,盡量降低殘留在結構中的焊接殘余應力。

          1.1.3 網殼結構

          空間網格結構中的曲面形式即為網殼結構,其既有桿系結構的特征,同時又具有殼體結構的優勢。我國第一幢網殼結構是1956年天津體育館屋蓋[9],采用聯方網格形式的圓柱面網殼結構,并使用拉桿作為輔助結構。據統計,截至2000年底,我國已投入使用的各種網殼結構有500多幢。殼體結構使傳力機制更完善,受力分布更均勻,曲面形式造型優美,更能滿足新時代審美要求。自20世紀80年代后半期以來,理論和技術層面的完善及建筑物功能和造型多樣化的要求促使網殼結構進入一個飛速發展時期[10]。

          干煤棚結構常見網殼結構形式是柱面網殼和球面網殼。柱面網殼適用于矩形平面場地,其典型形式如圖3所示。安徽淮南的顧橋電廠采用柱面網殼結構[11],工藝要求該結構跨度需達106m,凈高不得低于35m,因其跨度大、凈高低的特點,最終選擇采用三心圓鋼拱柱面網殼結構,基本網格采用正放四角錐形式,通過螺栓球節點連接。此外,河南鴨河口電廠[12]、重慶雙槐電廠[13]等也采用了柱面網殼結構形式。

          圖3 典型柱面網殼結構

          圖3 典型柱面網殼結構   下載原圖

          李海旺等[14]曾對三心圓鋼拱結構進行動力彈塑性分析,明確其結構剛度的薄弱部位位于兩段圓弧的切點處,因此在截面設計時,在滿足跨度和凈高要求的同時,也要注意調整圓弧尺寸,增強結構受力分配的合理性,減少內力突變的危險截面數量。

          球面網殼適用于圓形或正方形平面場地,其典型形式如圖4所示。西安灞橋電廠[15]干煤棚工程采用球面網殼結構,由浙江大學空間結構研究中心負責結構設計。其網殼跨度達101.6m,高度達34.2m,網格采用四角錐結構,在部分進行過縮格處理的位置為三角錐結構,并通過螺栓球節點連接,用鋼量約為39kg/m2。

          圖4 典型球面網殼結構

          圖4 典型球面網殼結構   下載原圖

          球面網殼結構在設計階段需注意對邊界條件的考慮[16],用于干煤棚建設的球面網殼通常會在其下部設混凝土擋墻,既為上部網殼結構提供支撐,又能抵抗煤堆積產生的側向壓力,同時避免地面環境對鋼結構網殼的腐蝕。因此,球面網殼在選取支承形式和支座類型時需綜合考慮混凝土結構和鋼結構雙重影響。灞橋電廠干煤棚采用下弦支承方式,選取剛性連接支座,既能協調上部網殼結構內力和變形,也能滿足下部混凝土擋墻抵抗堆煤產生的側向位移要求,從而使兩部分結構產生的變形協調。

          網殼結構整體穩定計算和設計是結構設計師關注的重點。除常規計算構件強度和穩定性外,考慮到網殼結構在全(滿)跨荷載作用下易發生整體失穩,故需采用幾何非線性分析或雙非線性分析方法計算其整體穩定承載力。網殼結構整體穩定性計算要選擇最不利幾何缺陷分布形式及其適當幅值。柱面和球面網殼結構整體穩定性計算方法較成熟,對于其他自由曲面組成的非常規網殼結構,其整體穩定性計算方法還需進一步完善。

          1.2 剛柔結構體系

          平板網架及曲面網殼結構等均屬于傳統意義上的剛性結構,具有共同的局限性。為適應更復雜的工程或建筑要求,需將不同結構形式進行組合,這種結構通常被稱為雜交結構[17]。在全封閉干煤棚工程項目中,常見雜交結構為剛性結構(如網殼、網架、鋼拱等)和柔性結構(如拉索、膜結構等)的結合,常見的有索-拱結構、張弦結構等。這些新結構形式往往兼具剛性結構和柔性結構優點,在此歸類為剛柔結構。

          1.2.1 索-拱結構

          在剛性結構中,鋼拱結構在全(滿)跨荷載作用下具有剛度大、穩定性好的特點,常用于大跨結構中。但由于鋼拱結構在全(滿)跨荷載作用下的彈性屈曲模態呈平面內反對稱變形分布,因而對反對稱幾何初始缺陷極為敏感。另外,鋼拱結構在半跨荷載或偏跨荷載作用下也具有剛度變弱、承載力降低的特點,而作為柔性結構的拉索能通過合理布置提高鋼拱的剛度及承載力,也使鋼拱不再對反對稱幾何初始缺陷敏感。這種鋼拱和拉索組合形成的結構被稱作索-拱結構。劇錦三等[18]對索-拱結構的穩定性展開研究,并著重分析索對整體結構極限荷載產生的影響;在此基礎上,王宏等[19]對索-拱結構自振頻率及在風荷載、地震荷載下的動力反應進行分析;郭彥林等[20]則研究一種新型索-拱結構形式的彈性穩定性能,這種新型索-拱結構依據全跨荷載作用下拱的彎矩分布來布置撐桿和拉索,以達到提高鋼拱剛度和承載力的目的,形式如圖5所示。

          圖5 一種新型預應力索-拱結構

          圖5 一種新型預應力索-拱結構   下載原圖

          長春熱電廠煤棚采用一種比較典型的索-拱結構[21],形式如圖6所示,上部為鋼拱結構,下部設置預應力拉索,通過剛柔結構組合,提高結構整體剛度,平衡鋼拱在豎向荷載作用下產生的水平力,使拱結構內力分布更均勻,同時可減小風荷載和地震荷載作用下產生的彎矩與側向位移。其索拱桁架橫向跨度達110m,煤棚長度達229m,凈高為35.4m,整體用鋼量約為30kg/m2。通過分析近年來和該項目跨度相近的干煤棚項目,可發現其中絕大多數均采用了柱面網殼結構形式,用鋼量大多在40~50kg/m2,通過對比發現索-拱結構形式能節省約25%用鋼量,同時由于索結構平衡了鋼拱傳遞的水平推力,降低了對基礎的要求,能夠降低基礎造價30%左右。

          圖6 一種典型索-拱形式

          圖6 一種典型索-拱形式   下載原圖

          單索盤車輻拱和雙索盤車輻拱[22]應用于煤棚封閉結構也不失為一種好的結構形式。在拱形鋼結構內部設置拉索,可大大提高鋼拱剛度和承載力,同時,克服了鋼拱對平面內反對稱幾何初始缺陷的敏感性,大大提高了結構穩定性。當對煤棚室內凈空有較高要求時,可通過設置雙索盤,形成雙索盤車輻拱,提高室內空間利用率,單索盤車輻拱和雙索盤車輻拱結構形式如圖7所示[22]。

          圖7 單索盤車輻拱和雙索盤車輻拱

          圖7 單索盤車輻拱和雙索盤車輻拱   下載原圖

          索拱受力機理較復雜,在開始使用時,一度認為拉索對鋼拱產生了不利的附加作用,因而會導致鋼拱的承載力降低。研究發現,在鋼拱受到外荷載作用發生變形時,拉索沿其變形方向對鋼拱產生牽制作用,從而限制了鋼拱變形進而提高剛度和承載力。

          1.2.2 張弦結構

          現在投入使用的干煤棚中,95%以上均為三心圓鋼拱柱面網殼結構形式,但其仍具有整體空間利用率低及支座反力大的局限性。在河南新鄉火電廠[23]干煤棚工程中,因場地條件的限制,常見柱面網殼結構形式不能滿足要求,因而羅堯治[24]及其團隊提出了一種將預應力拉索和柱面網殼相結合的新型雜交結構形式———弦弓式網殼結構,通過預應力拉索來平衡網殼產生的內力,通過反拱作用減小支座處的受力和位移。該工程項目跨度81.8m、長度108m,經過多方案比選后,最終確定整體上采用非落地式柱面網殼,并通過預應力拉索來平衡支座水平推力,其形式如圖8所示。

          圖8 弦弓式柱面網殼結構

          圖8 弦弓式柱面網殼結構   下載原圖

          預應力拉索與鋼拱之間使用撐桿連接,則可形成拱形張弦梁式煤棚封閉結構,如圖9所示。此時,下弦預應力拉索不僅可中和拱腳水平推力,還可通過撐桿限制鋼拱平面內變形,提高鋼拱剛度和承載力。

          圖9 拱形張弦梁式煤棚封閉結構

          圖9 拱形張弦梁式煤棚封閉結構   下載原圖

          1.3 柔性結構體系

          在已有空間結構形式逐步完善的同時,工程師們也在尋求新的發展方向,在計算機和建筑材料的不斷革新中,膜結構的應用逐步從研究領域走向工程實踐。常見的膜結構主要分為充氣膜和張力膜2種類型[25],充氣膜通過氣膜內外的壓力差進行預應力施加,從而抵抗外部荷載,我國第一個充氣膜結構是20世紀90年代建成的房山游泳館[26];張力膜結構將骨架作為支承結構在其上張拉膜材,進而施加預應力,這兩種形式在受力機理上完全不同,并且各具優勢和劣勢。膜結構作為柔性結構,具有優秀的經濟性和環保性,對場地要求低,施工周期短,是一種極具潛力的新型結構形式。

          全柔性結構的另一種索網結構形式[27]更具有受力合理和現場裝配化要求等特點,這種能緩和風荷載的自平衡索網結構(見圖10)通過設置可繞拱腳連線轉動的端部鋼拱和通過配重施加預應力的拉索,使結構能在風荷載作用下產生較大位形變化,改變風荷載的方向及幅值,促使內力重分布,從而減小風荷載影響。同時,由于拉索預應力完全通過配重施加,無需專用的張拉設備,施工效率較高。

          1.3.1 充氣膜結構

          充氣膜結構通過內外氣壓差平衡外部荷載,其無柱無梁的特性和大跨度建筑的空間要求相吻合,因此越來越多的體育場館、廠房等均采用了充氣膜結構。但充氣膜結構的承載力會受到柔性材料本身制約,風雪荷載等能對材料本身產生影響的外部荷載易導致柔性膜材發生斷裂或性能喪失,從而降低結構承載力。在干煤棚項目中,由于控制荷載往往是風雪荷載,因此雖然有很多設計方案中提出充氣膜結構的設想,但均因為不能很好地抵抗荷載而未被采用。

          圖1 0 能緩和風荷載的自平衡索網結構

          圖1 0 能緩和風荷載的自平衡索網結構   下載原圖

          我國第一個真正意義上的充氣膜封閉煤棚是位于內蒙古烏拉特中旗工業園區的神華巴彥淖爾選煤廠項目[28],該項目一期工程由2個條形煤場組成,其中2號煤棚橫向跨度達100m,縱向深度約400m,凈高為36m,建成后是國內第一座、世界上容量最大的充氣膜煤棚工程。該項目結合國外已有經驗,創新性地提出斜向網格式鋼纜傳力系統[29],通過斜向正交索網固定充氣膜,既可承擔一部分荷載并引導內力均勻傳至基礎底座,又可通過控制氣膜水平和上升變形閾值,加強其縱向和橫向剛度[30]。通過該系統,解決了充氣膜結構承載性能的不足,提高其穩定性,使氣膜結構煤棚真正能應用到工程實際中。

          1.3.2 張拉式索膜結構

          隨著對充氣膜結構的深入研究,工程師們也發現了其功能上的局限性,如用電量大、氣壓不穩定、動荷載承載力不足等,因此工程師們一方面在原有結構上進行改進,另一方面也將目光更多地投向張力膜結構形式。1967年,在加拿大蒙特利爾展覽會上出現的新型結構成功地結合了索網結構和膜結構的特征,標志著張拉式索膜結構的誕生,其為張力膜領域最具有普適性的結構形式之一[31]。索膜結構采用預應力拉索作為支承結構,然后將膜材在支承結構間進行張拉,從而共同承受荷載,其主要構成中的拉索和膜材均為柔性材料,通過預張拉產生剛度,進而構成自平衡體系[32]。

          2 結構形式選取原則

          綜合上述對干煤棚結構形式的分類和介紹,可看出干煤棚結構形式的選擇受到多方面因素的影響。通過總結歸納,試從構造性、經濟性、適用性、可行性、功能性對不同結構形式進行對比分析,進而對干煤棚結構形式的選取提出建議。

          2.1 滿足構造性能

          結構形式比選的前提是力學性能滿足構造的需求,在此基礎上再考慮經濟性、周邊環境等因素的影響。對于干煤棚結構來說,不同結構形式具有不同的受力機理和傳力機制,針對不同規格和要求的煤棚,其結構形式首先必須滿足承載力及變形要求,同時也要結合其作業方式進行合理的構造布置,滿足項目的整體規劃要求,F階段采用空間網格結構的煤棚相較于平面結構具有更好的空間性能,受力更合理。此外,在結構選型時還應考慮到建筑外觀造型,能和整個項目相適應,避免不和諧因素。

          2.2 考量經濟指標

          對于干煤棚結構,經濟效益的直觀體現是用鋼量,最早投入使用的平面拱結構形式的用鋼量往往在100~200kg/m2,現階段常見的柱面網殼或球面網殼形式的用鋼量往往在30~60kg/m2,近年來興起的氣膜式干煤棚則采用新型材料氣膜代替傳統鋼構件,大幅度提高經濟效益。除恒定的經濟指標用鋼量外,干煤棚結構作為特殊用途類建筑,還需考慮前期投入和后期維護費用,因此需綜合考慮設計用鋼量、現場施工及后期監測維護,甚至包括應急情況處置等各項經濟指標,對各種結構形式進行比對進而提高經濟效益。

          2.3 考慮適用環境

          建筑物結構形式會受到外部環境制約,因此在結構選型時需考慮結構形式是否適用于工程項目的外界條件。具體到干煤棚項目,需考慮2個部分:(1)區域空間因大多數全封閉煤棚項目均在原有露天或半露天煤棚基礎上進行改造,因此占地面積會對結構選型形成限制,如網殼結構會因場地形狀的限制而選擇球面網殼形式;(2)外部荷載因干煤棚多屬于大跨結構,其控制荷載往往是風雪等與地域相關的荷載條件,同時溫度荷載有時也起控制作用,因此需綜合考慮項目所在地的具體荷載情況來開展選型工作。

          2.4 項目可行性分析

          對于全封閉煤棚項目,其特殊的使用方式使其相較于其他建筑項目更需進行多層次可行性分析。干煤棚項目的可行性分析主要是現場施工和作業要求方面:現場施工方案選取,施工人員、設備配置、施工工期的時間成本均影響現場施工,因此,在結構選型時需要結合結構施工方案要求;作業要求則主要是為保證其內部輸料棧橋及取料機安裝和正常工作,而在選取設計方案時考慮尺寸和形式上的限制。

          2.5 功能特性需求

          煤棚結構功能主要是煤炭儲藏和運送,為更好地實現這一功能,煤棚結構往往會配備通風除塵、溫度預警、數據監測系統,因此在結構設計時需考慮這些系統的配備和安裝問題,預留出足夠空間。同時,在結構選型時宜針對煤炭易燃、煤棚通風不流暢問題進行分析,從結構形式上采取措施,予以優化。

          3 結語

          本文總結了全封閉煤棚常用結構形式,歸納為剛性結構體系、剛柔結構體系和柔性結構體系。就每種具體結構形式從受力性能、經濟性能、適用條件等方面展開討論,可對全封閉煤棚結構形式的選取提供參考。

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