１２０ｍ×２１０ｍ大型柱面网壳的设计与施工罗尧治沈雁彬邱鹏杭州孙旭光３１００２７）（浙江大学空间结构研究中心摘要北京华能电厂干煤棚跨度为１２０米．是目前国内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、施工方案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应注意的问题，并提出一些重要的建议。关键词：干煤棚三心圆柱面网壳结构设计体型系数滑移法施工１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，而且根据堆煤及斗轮机作业要求，必须满足存储和作业空间，因此在体型上有相应的要求。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，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。北京华能电厂干煤棚设计跨度１２０米，长度２１０米，煤棚一端设山墙，一端敞开，结构采用正放四角锥三心圆柱面双层网壳的结构形式，是目前国内跨度最大的三心圆柱面网壳结构。２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几何参数确定结构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。三心圆柱面网壳的受力性能与体型有密切的关系。决定三心圆柱面体型的几何参数主要有‘¨：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、经济指标有规律地变化。当一个几何参数增大而其他参数不变时，各项技术、经济指标的变化趋势如表ｌ所示。№自“ｑ目ｑｑ……………………＊４ｔｍ口＊ｍ＊—＊５…｛＃＃｛荆＃＊＃Ｆｖ口‘，４｝“ｏ。‘Ｆ＾４—６口４掏殴醺鲤鲤缓蠼㈣憋搅幽鲤醚酲燃自ｈ¨｝Ｈ一…，・ｔ…ｔ＿…一｛Ｔ｛＾一ｈ’ｐ，ｈ４“＋ｈ４＋ｑ｛ｎ＋ｈ＋Ｈｔｈ＋”十“＋Ｈ，ｈ４ｆ４‘‘十Ｈ・＿＋Ｈ十Ｈ—Ｈ，＿＾÷－Ｈ・“＿“—－＿＋Ｈ十—¨—“一＊・Ｈ・ｘ十ｈ＾—＿÷Ｈ÷‘＿十ｈ■＋Ｈ日十Ｈ＿・”“—－－Ｈ十Ｈ－¨ＷＦ十ｈ｛＿“＋ｈ‘Ｈ十４”＿‘ｐ“＊ｔ＿ｑｂｑｈｈ一＾¨十ｂ＿＿‘ｐ÷ｑ÷Ｈ＋４“““ｈ＿自÷Ｈ；Ｈ＿’‘蚋■十十ｂ‘ｐ■７■≈ｑ≈＾６“＇≮‘■ｄ，ｑｑｑ＊ｑ日ｂｔ十＃十—ｑｂｔ‘■“９＿‘ｐ“口ｔ‘■口’ｑｑ≈＾＾■州＾％～……。“■Ｆ＊≯黼删｛ｏ㈣捌㈣｝一■滞…………ｖ十＃日＊………舭譬ｉ掌。５。二■￥＃ｊ一＝：一’，，ｏ，。，。一ｏ，４一‘■，’，。一；９与二＊半。１４铧？ｚＩ｜，９，々’卉‘Ｆ，碗柑目ｍ墙立Ⅲ目Ｈ２镕自｝＾ｍ月女ｌ＊☆ｍ＾＃…％……ｏ‘十ｙ十一，一■一………ｗ∞舄‘一’々ｒＦ，５埘一＝々＊ｊ々５々４｛咿５ｆ‘，６目｝，ｔ搿＃出ｉ，‘ｕ“。５ｕ。ｎ。。９二｝。。ｖ‘，‘瑚－，■＊…拓％≮｝Ｅ々｝ｔ％≈■ｉ椎掣苹！尊臻璐照搿・毯ｎ；瓣＝毫…；爱麓毫ｉ麓ｊｉ西嚣誊强ｊｔ毯ｃ黼ｊｉｊ：；：毯！笠；尊鞯％吲＃＃卉々‘黜‘－：。‘拼。。＃ｔＰ｝｝押≈＃＃ｏ≈￡４≮≈销≈≮孝＃≈，≯，ｒ≯口ｉ镩Ｘ≮￥≠＃郜５。‘ａ‘ａ‘ｕ４。‘ｔ‘一６＊＃，。掣俐，“＊水’，５，４ｒ‘＊口一ｔ‰自自ｑ≈％ｂ≮≈；■屿锚＃ｋ自＾＾＊＾＿＿＿ｑ自－＾＿ｑ＿ｑｑ＾＾＾‘一￥＿＿≠“＿＿＿＿＿＿＿＿＊＿＿“ｄ，ｈ；＿’一‘÷÷ｔｋ－‘十‘＃÷？‘ｔ’ｈ‘｝＇‘÷’４÷’ｑ—■’‘＃’一、‘ｄ’５＃’‘＃Ｔ‘ｄ々‘ｐ＇‘＃’‘‘’‘＃’；■＇‘９’ｂ‘｝－即ａ“ｈ“＋Ｈｏ””“ｏ“ｏ””“”””““＋＋”一十、’１＋“＂ｏｏｔ’ｈ”＿“”“＋“■““＋’“～《““¨＊４‘“““＿““““““”””””５～¨””””““４４０”＂“““¨”¨４４“十“竹鞫潲鞴鞘鹱酗藕黼瓣戮疆蕊懿翁藤阑鼷鬻鬻鬻戮．ｉ攀霆辫鍪萃麓麓，：磊臻灞囊篱辘。ｎ何参＃目培构撞｝、§济镕＃的影响自＾№ＨＭｍ挠《＆ｍ攀一增＾ｍ＾Ｍ小Ⅻｍ《小№ｍ硪小碱小豢２００结构与地基新进展在煤棚的结构设计中，斗轮机的工作范围是决定体型的重要因素，研究表明Ⅲ，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４．５米；跨向网格数为３７格，其中大圆的半径Ｒ＝８０．９２２米，圆弧夹角７３．２６。，网格数为２３格，小圆半径ｒ＝２９．０２４米，圆弧夹角５３．３７。，网格数为６格；落地角为５。；垂直落地加１个网格；网壳厚度为３．８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。本工程应设计要求采用上下弦节点支承。双排支承的柱面网壳受力性能类似无铰拱，由于在支座处角位移，产生较大的弯矩作用，并且对于支座的侧向移动十分敏感，支座附近的杆件和螺栓容易产生附加应力。根据计算，当支座产生５０ｍｍ的跨向水平强迫位移时，支座附近杆件内力增大十分明显，并且出现拉压杆变号。另外，双排支承增大了承台面积，增加基础的工程造价。因此，双排支承对支座承台提出了更高的要求。３荷载分析和结构受力特性３．１风荷载体型系数的分布该煤棚结构体型巨大，风荷载是结构的主要荷载。目前开口的三心圆柱壳的风载体型系数无现成规范可依，本结构一端有封闭山墙，体型更显特殊，所以进行风洞试验以确定体型系数。以往的柱壳设计中，由于结构１／４对称，常常采用４种风向水平风荷载下的体型系数作为设计的依据。本结构由于１／２对称，须选取Ｏ。－－－－１８０。７种风向下的风荷载体型系数。体型系数区域划分见图３，对应的体型系数不详细展开。矗啊啊口ｎ田＞一一一一一Ｉ一一一一一一一１一一‘一Ｔ一一一一ｒ一一一一一一一ｌ一一一一一一一一一Ｉ一一一一一一一１一一。一Ｔ一一一一ｒ一一一一一’一ｌ一一一一一“Ｎ一一．一Ｉ一一一一一一一』一一一一上一一一一Ｌ一一一一一一一ｌ一一一一一一一一一Ｉ一一一一一一一Ｊ一一一．ｉ一一一一Ｌ一一一一一一一ｌ一一一一一夕。＼、一一一一ｌ一一一一一一一Ｊ一一一一‘一一一一‘一一一一一一一Ｉ一一一一一２９４００４６２００２９４００２１００００２９４００４６２００２９４００翳烂弋忑而ｒ一图３体型系数区域划分３．２结构受力特性由于柱面网壳结构基本为两边支承，所以呈现单向受力状态。网壳跨向杆件内力较大，而纵向杆件内力较小。图４、图５分别是结构在竖向荷载作用下和某风荷载作用下（取９０。夹角为例）的内力变形图。通过内力和位移的比较可以看出，在风荷载作用下，结构的内力分布和位移有很大的差异，杆件内力出现拉压反号。１２０ｍ×２１０ｍ大型柱面网壳的设计与施工２０１（ａ）上弦内力图（ｂ）下弦内力图图４竖向荷载作用下结构内力变形图（ｃ）结构变形图（ａ）上弦内力图（ｂ）下弦内力图图５风荷载作用下结构内力变形图（ｃ）结构变形图４施工分析４．１施工方案网壳结构施工采用单元累积滑移法，在网壳结构的西侧１，－－，３轴位置搭设２０米宽满堂脚手架作为网壳结构小单元拼装的拼装平台，以３个网格为一滑移单元。每次滑移１２．６ｍ，安装３个网格后继续滑移，如此循环，直至完成所有网格的安装。由于三心圆柱面网壳的水平推力较大，故在滑移时设置水平滑轨来抵抗网壳在施工时的水平推力。４．２杆件编号选取每个阶段单元中跨中上弦杆和支座上弦杆和三心圆１／４处下弦杆作为分析研究对象，如图６ＭＳ．图６杆件和节点的编号２０２结构与地基新进展所示，ＭＳ／表示第ｉ个网格跨中上弦杆，Ｓｉ表示第ｉ个网格支座位置上弦杆，ｘｉ表示ｉ个网格三心圆网壳１／４跨处下弦杆。ｆｉ表示第ｉ个网格跨中挠度。Ｆｚｉ和Ｆｙｉ分别表示第ｉ个支座的竖向反力和水平反力。４．３计算结果分析由计算结果可以发现，施工过程中，杆件内力、挠度、支座反力等结构参数都是处于不断的变化中。大多数情况下杆件内力、挠度、支座反力等结构参数在施工过程中的最大值都要比理论值（按施工荷载作用计算）小，但也有若干杆件的施工内力要比理论值大，如杆件Ｘ５、Ｘ１１。表２对结构滑移施工中的杆件最大内力和静荷载工况下的理论计算值做了比较，发现所有杆件滑移中的最大内力值都比结构的静荷载作用下的内力值要小，说明滑移中结构的内力虽然是随施工阶段变化的，但都是在理论计算的控制范围之内，滑移施工中的结构的安全性是可以保证的。表２滑移施工中最大内力与静荷载工矿下计算值比较（ｋＮ）杆件编号施工中一１０２．３—９６．１—２５２．９ＭＳ２Ｓ２Ｘ２ＭＳ５Ｓ５Ｘ５ＭＳ８Ｓ８Ｘ８ＭＳｌｌＳ１１Ｘ１１—９８．７—８５．７——２７０．３—１０３．２—８３．８—２６９．３—９９—８３．３—２５７．１最大内力计算值杆件编号施工中一１５１．２ＭＳｌ４—１３８．Ｏ一３３９．２—１６６．９—１３３．Ｏ一３３９．５—１６９．２—１３４．０—３４３．１—１６９．４Ｓ１４Ｘ１４—１３４．９——３４３．９Ｓ２３Ｘ２３ＭＳｌ７Ｓ１７Ｘ１７Ｍ￥２０￥２０Ｘ２０ＭＳ２３一８８．８—８１．２——２３８．６—８１．８—１２２．４—２３７—８５．４—８１—２１１．９—６１．１—７０．３—１４７．２最大内力计算值一１６９．５—１３４．８—３４３．９—１６９．４—１３４．５—３４３．１—１６８．Ｏ一１３３．２—３３９．４—１６１．１～１３６．６——３３９．１４．４施工工艺对结构最终受力状态的影响分析由计算结果发现，结构最终成形后，结构施工结束后的受力和变形是和设计状态不一致的，有可能小于设计值，也有可能大于设计值，这说明结构的成形和施工过程是密切相关的，不同的施工方法、不同的施工工艺都会导致结构最终受力的不同。除了全支架安装法结构最终受力能和设计状态的受力比较相近外，其他施工方法结构安装成形的最终内力都与设计状态有一定的偏差。下面就施工工艺对结构最终受力状态的影响进行了研究。为表征结构施工成形后结构参数和设计状态的相差幅度，定义结构施工附加内力系数】７，设施工完成后某个结构参数值为Ｆ（可以是内力、挠度、支座反力等结构参数），设计的理论值为Ｒ（静荷载工况下计算值），则ｊ７可以表示为：７一裂揣ｊ７一鬲寻谅旆㈩ｕ）式中盯，Ａ分别为材料允许应力和杆件面积，￡为过滤系数，此处取０．２。取两者的最大值是为了防止部分零杆内力较小使ｊ７趋于无穷大而失去意义。７大于零表示施工成形后的结构参数要大于设计理论值，叩小于零表示施工成形后的结构参数要小于设计理论值。表３列出部分杆件施工完成后的内力与静荷载工况下的计算值的比较，图６为结构施工完成后的挠度和设计挠度的比较。从表中的数据可以发现，大部分杆件的７值小于零，小于计算理论值，表明结构大部分单元的内力是在设计值的控制范围内的。但表中也出现局部杆件的７值大于零的现象，这说明滑移施工对结构部分杆件产生的附加内力是不利的，而且是超出设计值的。２０ｍ×２１嘶＾≈＆∞月女自＆＊５自Ｉ女３镕构《＊月郭＃＃＃自★《Ⅲ；ｍ＂镕＆较（ｋＮ＃＊％｝考虑施Ｔｄ＆Ｆ计＃值Ｒ杆＃编号｝自№Ｉ过程，计算值Ｒ一０ｉ０００１从两者的挠度分布中．町“清楚地看到滑移施工对结构最终挠度的影响，成形后结构的挠度分市和设计值有很＾不同，而且考虑滑移施工影响的结构的最终的最＾挠度达到ｒ设计值的ｌ６倍。最人挠度基本都出现在前后滑移单兀拼接的相邻处，尤其前几个滑移单兀的拼装处更加明显，这屉因为安装前儿个滑移单元时，结构拼装完成的单元较少，整体刚度比较弱．后续安装单元对已完成单元的受力和变形影响较大，施工产牛的不利影响也比较大，随着结构单元逐渐增加，结构的刚度也不断增加．后续安装单兀对Ｂ完成结构的影响也相继碱小。月７考枣《Ｌｄ《∞＃＃ｂ女计挠度№＃４５施工分析结论嘲壳结构的滑移施上是一个结椅不断形成的过程，施』＝中结构的荷载和边界条什不断发生变化．与此相应的结构受力和变形电不断发生变化。对一个１２０ｍ跨度三心圆柱面阿壳的累积滑移法施ｒ＝垒过程分析表明；常规施工分析方法（近似验算法）未考虑施工进程时结构受力的影响．倥取施工各个阶Ｅ‘．设计整体模型计算的包络值．是不符合实际施工的．计算结果也是偏不安全的．在忽略施工非理想隔索条件下，对柱面网壳的累积滑移施工垒过程分析表叫结构参数（内“、变形、反力）的最大值并不一定出现在施工结束后，施工中的结构参数值往往大丁施工结束后井比施工荷载工况下的计算值要大，１Ｈ比静荷载工况ｒ的计算值要小，滑移施上中结构的安全性是可以保证的。分析迁发现．结构全部施ｒ完成后．由于滑移过程的影响，结构的最终的受力是和理沦计算不一致的．而且相当部分杆件的附加内月是对结构不利的．是超过静简载工况下的计算值的臆谊☆睦把这部分不利的附加内力降低到最小。２０４结构与地基新进展为表征施工完成后的结构参数和设计值的相差幅度，定义了结构施工附加内力系数１ｌ（公式１）。几种滑移单元划分方式对结构最终受力影响的分析表明：上下弦杆１的分布趋势基本一致，基本上都是在前后拼装单元的相邻位置达到最大，而且最大值都是出现在施工最初几个滑移单元拼装处。随着结构滑移单元拼装的增加，上下弦杆的１值都有所下降，但幅度很小。综合上述结论，进行施工全过程分析是非常有必要的，尤其需要分析施工对结构最终受力状态的影响。实际施工时，除了满堂支架法施工的结构，对那些施工中结构的形态、受力、支座条件和设计有较大区别的大型结构的施工，都应进行详尽的施工全过程分析，并比较各种施工方法、施工工艺对结构成形后内力的影响，综合考虑经济、技术因素来选择合适的施工方法和施工工艺，尽量降低或者避免施工结束的不利的施工附加内力。５小结本文通过对北京华能电厂干煤棚网壳结构设计与施工多方面的分析与研究，结合作者多年来的设计经验和相关课题的研究成果，提出以下几点干煤棚设计和实际使用中应注意的问题，及一些相关建议。（１）煤棚结构由于其使用的特殊性，存在大面积堆载的问题，容易造成网壳支座的沉降和向外滑移，由此产生附加内力，对支座附近的节点和杆件有一定的影响。另外，煤中含有大量的腐蚀性物质，钢材与这些腐蚀介质发生电化学反应，容易产生锈蚀，尤其以支座附近杆件较为明显。因此，干煤棚结构设计需要注意对支座附近杆件进行加强处理。（２）由于此类结构风荷载体型系数复杂，对于柱面网壳受力反弯点位置容易造成影响，杆件内力拉压反号，因此须注意对杆件长细比严格控制。（３）对于滑移施工方法，由于施工过程是一个结构不断形成的过程，施工中结构的荷载和边界条件不断发生变化，与此相应的结构受力和变形也不断发生变化。因此须采用科学的分析手段考虑施工工艺造成的实际对结构成形后内力的不利影响，在结构设计时作相应分析。参考文献１罗尧治．葛玮．大型三心圆柱面网壳体形优化．结构与地基国际学术研讨会论文集．杭州：浙江大学出版社，１９９４２罗尧治，胡宁．沈雁彬．１０８米跨度干煤棚三心圆柱面网壳研究与设计．第二届全国现代结构工程学术报告会．马鞍山：工业建筑杂志社，２００２３网架结构设计与施工规程．北京：中国建筑工业出版社，１９９１４中华人民共和国国家标准．《建筑结构荷载规范））（ＧＢ５０００９—２００１）．北京：中国建筑工业出版社，２００２５中华人民共和国国家标准，《钢结构设计规范））（ＧＢ５００１７－－２００３）．北京：中国建筑工业出版社，２００３
