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全封闭煤棚结构形式与选取原则

发布时间:2021年3月22日 点击数:177

0 引言

为落实国家政策要求[1],全面贯彻生态文明建设,需加强煤炭资源绿色开发和清洁利用,原有露天式堆放煤场难以满足要求,因此对发电厂提出全封闭建设要求。煤棚的全封闭要求能有效削减煤尘排放量,改善大气环境质量,控制扬尘和雾霾问题。建设全封闭煤棚不仅关系到煤炭资源的合理运用,更关乎经济、环境等领域的建设和发展,具有重要意义。

世界上第一座发电厂是1875年于巴黎北火车站建立的电厂,当时作为发电能源的煤炭大多都是露天堆放,相对较好的储藏形式则是以小木棚进行遮蔽,这也是干煤棚的雏形。1882年,英国人R.W.Little在上海创立了第一座火力发电厂,干煤棚结构随之在国内产生,之后的100年间,干煤棚结构以露天和半露天形式为主,直到20世纪80年代全封闭煤棚才开始逐步投入使用。全封闭煤棚结构至今已有近40年历史,从结构早期的平面钢拱和平面桁架,到柱面或球面网壳等空间结构,再到近年来兴起的气膜煤棚等柔性结构,已投入使用的结构形式多达十余种。本文通过分析这些常用结构形式,根据彼此的异同进行形式分类,并结合工程实际情况,考虑多种因素,给出一个可供参考的结构形式选取原则。

1 全封闭煤棚结构主要形式及特点

1.1 刚性结构体系

1.1.1 平面结构

在20世纪80年代前,我国干煤棚结构大多采用平面拱结构形式,根据干煤棚尺寸和受力情况,常见的有折线拱、二铰拱和三铰拱等,如图1所示。石洞口二厂项目煤棚选用折线拱结构形式,谏壁电厂项目采用二铰拱结构形式,贾汪电厂[2]项目采用三铰拱结构形式。然而,平面拱结构用钢量通常较大,一般>100kg/m2,出于经济性考量,工程师们逐渐把目光投向空间结构形式。

图1 常见平面拱形式

图1 常见平面拱形式   下载原图

1.1.2 网架结构

空间网格结构的起源可追溯至亚历山大·贝尔,其在1907年设计各种不同结构形式风筝,经过多次试验,最终建立“四面体风筝”,该结构以正四面体为核心单位,并通过共用节点方式进行支承和连接。

第二次世界大战后,因为工业化生产的大力推进和技术发展,空间网格结构作为一种新兴结构形式开始得到多方面关注和研究。1964年建立的上海师范学院球类房屋盖[3]是我国第一幢空间网格建筑物,自20世纪70年代以来,空间网格结构越来越多地投入工程使用,文献[4]正式对网格结构进行介绍和定义,并归纳其3个特征:由相似尺寸和形式的预制构件组成,通过节点按照一定规律进行连接,具备空间三维受力特性。文献[5]将网格结构根据外形特征进行分类,平板状称为网架,曲面状称为网壳。

空间网格结构技术在蓬勃发展的同时,其适用范围也在不断扩大,就全封闭煤棚结构而言,由于其自身用途的特殊性,不能完全地生搬硬套网格结构的典型构造和形式,而是需根据每个工程项目工艺要求、地质条件、荷载条件等具体情况及施工和后期维护的需求进行结构形式设计。

网架结构是一种通过节点连接的杆系结构,是在国内发展最为迅速并最早得到普及的空间网格结构形式,常见网架形式有平面桁架网架和四角锥网架,如图2所示。据统计[3],截至1999年底,国内已投入使用的空间网格结构约10 000幢,其中网架结构约占96%,多达9 600余幢。刘锡良[6]总结网架结构能得到广泛应用的原因可归纳为2个方面:(1)结构自身具有显著的优越性,结构形式灵活,能适应不同跨度和工程要求;(2)政策支持,这与空间结构委员会开展的大量工作、网架相关规范和资料的编著及网架设计公司的大量涌现密不可分。网架结构刚度大,整体性能突出,受力分布合理,安装施工方便。基于以上优势,网架结构在全封闭煤棚工程建设中很快得到实际应用,而且设计用钢量低,具有很好的经济效益。

1995年投入使用的湛江电厂一期项目[7]采用网架结构,该项目由华南理工大学和广东省水利电力勘测设计研究院联合设计,位于湛江市东北部调顺岛。因地处围海填砂形成的人工海滩上,且位于台风多发区,支座难以抵抗风荷载作用产生的拱脚推力,因此废除原有半圆拱结构形式,选用四柱支承式平板网架结构。网架立柱间距79.8m,下部弦杆标高27.600m,正方形网格尺寸为4.2m,能完全满足半径约38m的料斗机取料工作,网架用钢量约为70.3kg/m2,与容量相似的平面结构形式干煤棚相比节约近一半用钢量。四角锥网架正放抽空[8]的形式既能发挥网架结构整体受力优势,满足建筑物功能要求,又很大限度地降低结构用钢量。

图2 常见网架结构形式

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网架结构构件之间的连接常采用螺栓球节点、焊接球节点和直接相贯节点。螺栓球节点由诸多成品部件组成,具有现场装配化程度高、安装方便等特点。但由于不可避免的构件制作误差或现场安装偏差影响,往往会形成装配内力,这也是近年来螺栓球网架结构频发安全事故的主要原因之一。焊接球节点和直接相贯节点的现场焊接工作量大,对安装定位精度控制要求高。构件连接在焊接过程中的冷却收缩效应也会在结构中形成较高的残余应力。建议采取措施,如改善焊接工艺或焊接顺序,尽量降低残留在结构中的焊接残余应力。

1.1.3 网壳结构

空间网格结构中的曲面形式即为网壳结构,其既有杆系结构的特征,同时又具有壳体结构的优势。我国第一幢网壳结构是1956年天津体育馆屋盖[9],采用联方网格形式的圆柱面网壳结构,并使用拉杆作为辅助结构。据统计,截至2000年底,我国已投入使用的各种网壳结构有500多幢。壳体结构使传力机制更完善,受力分布更均匀,曲面形式造型优美,更能满足新时代审美要求。自20世纪80年代后半期以来,理论和技术层面的完善及建筑物功能和造型多样化的要求促使网壳结构进入一个飞速发展时期[10]

干煤棚结构常见网壳结构形式是柱面网壳和球面网壳。柱面网壳适用于矩形平面场地,其典型形式如图3所示。安徽淮南的顾桥电厂采用柱面网壳结构[11],工艺要求该结构跨度需达106m,净高不得低于35m,因其跨度大、净高低的特点,最终选择采用三心圆钢拱柱面网壳结构,基本网格采用正放四角锥形式,通过螺栓球节点连接。此外,河南鸭河口电厂[12]、重庆双槐电厂[13]等也采用了柱面网壳结构形式。

图3 典型柱面网壳结构

图3 典型柱面网壳结构   下载原图

李海旺等[14]曾对三心圆钢拱结构进行动力弹塑性分析,明确其结构刚度的薄弱部位位于两段圆弧的切点处,因此在截面设计时,在满足跨度和净高要求的同时,也要注意调整圆弧尺寸,增强结构受力分配的合理性,减少内力突变的危险截面数量。

球面网壳适用于圆形或正方形平面场地,其典型形式如图4所示。西安灞桥电厂[15]干煤棚工程采用球面网壳结构,由浙江大学空间结构研究中心负责结构设计。其网壳跨度达101.6m,高度达34.2m,网格采用四角锥结构,在部分进行过缩格处理的位置为三角锥结构,并通过螺栓球节点连接,用钢量约为39kg/m2

图4 典型球面网壳结构

图4 典型球面网壳结构   下载原图

球面网壳结构在设计阶段需注意对边界条件的考虑[16],用于干煤棚建设的球面网壳通常会在其下部设混凝土挡墙,既为上部网壳结构提供支撑,又能抵抗煤堆积产生的侧向压力,同时避免地面环境对钢结构网壳的腐蚀。因此,球面网壳在选取支承形式和支座类型时需综合考虑混凝土结构和钢结构双重影响。灞桥电厂干煤棚采用下弦支承方式,选取刚性连接支座,既能协调上部网壳结构内力和变形,也能满足下部混凝土挡墙抵抗堆煤产生的侧向位移要求,从而使两部分结构产生的变形协调。

网壳结构整体稳定计算和设计是结构设计师关注的重点。除常规计算构件强度和稳定性外,考虑到网壳结构在全(满)跨荷载作用下易发生整体失稳,故需采用几何非线性分析或双非线性分析方法计算其整体稳定承载力。网壳结构整体稳定性计算要选择最不利几何缺陷分布形式及其适当幅值。柱面和球面网壳结构整体稳定性计算方法较成熟,对于其他自由曲面组成的非常规网壳结构,其整体稳定性计算方法还需进一步完善。

1.2 刚柔结构体系

平板网架及曲面网壳结构等均属于传统意义上的刚性结构,具有共同的局限性。为适应更复杂的工程或建筑要求,需将不同结构形式进行组合,这种结构通常被称为杂交结构[17]。在全封闭干煤棚工程项目中,常见杂交结构为刚性结构(如网壳、网架、钢拱等)和柔性结构(如拉索、膜结构等)的结合,常见的有索-拱结构、张弦结构等。这些新结构形式往往兼具刚性结构和柔性结构优点,在此归类为刚柔结构。

1.2.1 索-拱结构

在刚性结构中,钢拱结构在全(满)跨荷载作用下具有刚度大、稳定性好的特点,常用于大跨结构中。但由于钢拱结构在全(满)跨荷载作用下的弹性屈曲模态呈平面内反对称变形分布,因而对反对称几何初始缺陷极为敏感。另外,钢拱结构在半跨荷载或偏跨荷载作用下也具有刚度变弱、承载力降低的特点,而作为柔性结构的拉索能通过合理布置提高钢拱的刚度及承载力,也使钢拱不再对反对称几何初始缺陷敏感。这种钢拱和拉索组合形成的结构被称作索-拱结构。剧锦三等[18]对索-拱结构的稳定性展开研究,并着重分析索对整体结构极限荷载产生的影响;在此基础上,王宏等[19]对索-拱结构自振频率及在风荷载、地震荷载下的动力反应进行分析;郭彦林等[20]则研究一种新型索-拱结构形式的弹性稳定性能,这种新型索-拱结构依据全跨荷载作用下拱的弯矩分布来布置撑杆和拉索,以达到提高钢拱刚度和承载力的目的,形式如图5所示。

图5 一种新型预应力索-拱结构

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长春热电厂煤棚采用一种比较典型的索-拱结构[21],形式如图6所示,上部为钢拱结构,下部设置预应力拉索,通过刚柔结构组合,提高结构整体刚度,平衡钢拱在竖向荷载作用下产生的水平力,使拱结构内力分布更均匀,同时可减小风荷载和地震荷载作用下产生的弯矩与侧向位移。其索拱桁架横向跨度达110m,煤棚长度达229m,净高为35.4m,整体用钢量约为30kg/m2。通过分析近年来和该项目跨度相近的干煤棚项目,可发现其中绝大多数均采用了柱面网壳结构形式,用钢量大多在40~50kg/m2,通过对比发现索-拱结构形式能节省约25%用钢量,同时由于索结构平衡了钢拱传递的水平推力,降低了对基础的要求,能够降低基础造价30%左右。

图6 一种典型索-拱形式

图6 一种典型索-拱形式   下载原图

单索盘车辐拱和双索盘车辐拱[22]应用于煤棚封闭结构也不失为一种好的结构形式。在拱形钢结构内部设置拉索,可大大提高钢拱刚度和承载力,同时,克服了钢拱对平面内反对称几何初始缺陷的敏感性,大大提高了结构稳定性。当对煤棚室内净空有较高要求时,可通过设置双索盘,形成双索盘车辐拱,提高室内空间利用率,单索盘车辐拱和双索盘车辐拱结构形式如图7所示[22]

图7 单索盘车辐拱和双索盘车辐拱

图7 单索盘车辐拱和双索盘车辐拱   下载原图

索拱受力机理较复杂,在开始使用时,一度认为拉索对钢拱产生了不利的附加作用,因而会导致钢拱的承载力降低。研究发现,在钢拱受到外荷载作用发生变形时,拉索沿其变形方向对钢拱产生牵制作用,从而限制了钢拱变形进而提高刚度和承载力。

1.2.2 张弦结构

现在投入使用的干煤棚中,95%以上均为三心圆钢拱柱面网壳结构形式,但其仍具有整体空间利用率低及支座反力大的局限性。在河南新乡火电厂[23]干煤棚工程中,因场地条件的限制,常见柱面网壳结构形式不能满足要求,因而罗尧治[24]及其团队提出了一种将预应力拉索和柱面网壳相结合的新型杂交结构形式———弦弓式网壳结构,通过预应力拉索来平衡网壳产生的内力,通过反拱作用减小支座处的受力和位移。该工程项目跨度81.8m、长度108m,经过多方案比选后,最终确定整体上采用非落地式柱面网壳,并通过预应力拉索来平衡支座水平推力,其形式如图8所示。

图8 弦弓式柱面网壳结构

图8 弦弓式柱面网壳结构   下载原图

预应力拉索与钢拱之间使用撑杆连接,则可形成拱形张弦梁式煤棚封闭结构,如图9所示。此时,下弦预应力拉索不仅可中和拱脚水平推力,还可通过撑杆限制钢拱平面内变形,提高钢拱刚度和承载力。

图9 拱形张弦梁式煤棚封闭结构

图9 拱形张弦梁式煤棚封闭结构   下载原图

1.3 柔性结构体系

在已有空间结构形式逐步完善的同时,工程师们也在寻求新的发展方向,在计算机和建筑材料的不断革新中,膜结构的应用逐步从研究领域走向工程实践。常见的膜结构主要分为充气膜和张力膜2种类型[25],充气膜通过气膜内外的压力差进行预应力施加,从而抵抗外部荷载,我国第一个充气膜结构是20世纪90年代建成的房山游泳馆[26];张力膜结构将骨架作为支承结构在其上张拉膜材,进而施加预应力,这两种形式在受力机理上完全不同,并且各具优势和劣势。膜结构作为柔性结构,具有优秀的经济性和环保性,对场地要求低,施工周期短,是一种极具潜力的新型结构形式。

全柔性结构的另一种索网结构形式[27]更具有受力合理和现场装配化要求等特点,这种能缓和风荷载的自平衡索网结构(见图10)通过设置可绕拱脚连线转动的端部钢拱和通过配重施加预应力的拉索,使结构能在风荷载作用下产生较大位形变化,改变风荷载的方向及幅值,促使内力重分布,从而减小风荷载影响。同时,由于拉索预应力完全通过配重施加,无需专用的张拉设备,施工效率较高。

1.3.1 充气膜结构

充气膜结构通过内外气压差平衡外部荷载,其无柱无梁的特性和大跨度建筑的空间要求相吻合,因此越来越多的体育场馆、厂房等均采用了充气膜结构。但充气膜结构的承载力会受到柔性材料本身制约,风雪荷载等能对材料本身产生影响的外部荷载易导致柔性膜材发生断裂或性能丧失,从而降低结构承载力。在干煤棚项目中,由于控制荷载往往是风雪荷载,因此虽然有很多设计方案中提出充气膜结构的设想,但均因为不能很好地抵抗荷载而未被采用。

图1 0 能缓和风荷载的自平衡索网结构

图1 0 能缓和风荷载的自平衡索网结构   下载原图

我国第一个真正意义上的充气膜封闭煤棚是位于内蒙古乌拉特中旗工业园区的神华巴彦淖尔选煤厂项目[28],该项目一期工程由2个条形煤场组成,其中2号煤棚横向跨度达100m,纵向深度约400m,净高为36m,建成后是国内第一座、世界上容量最大的充气膜煤棚工程。该项目结合国外已有经验,创新性地提出斜向网格式钢缆传力系统[29],通过斜向正交索网固定充气膜,既可承担一部分荷载并引导内力均匀传至基础底座,又可通过控制气膜水平和上升变形阈值,加强其纵向和横向刚度[30]。通过该系统,解决了充气膜结构承载性能的不足,提高其稳定性,使气膜结构煤棚真正能应用到工程实际中。

1.3.2 张拉式索膜结构

随着对充气膜结构的深入研究,工程师们也发现了其功能上的局限性,如用电量大、气压不稳定、动荷载承载力不足等,因此工程师们一方面在原有结构上进行改进,另一方面也将目光更多地投向张力膜结构形式。1967年,在加拿大蒙特利尔展览会上出现的新型结构成功地结合了索网结构和膜结构的特征,标志着张拉式索膜结构的诞生,其为张力膜领域最具有普适性的结构形式之一[31]。索膜结构采用预应力拉索作为支承结构,然后将膜材在支承结构间进行张拉,从而共同承受荷载,其主要构成中的拉索和膜材均为柔性材料,通过预张拉产生刚度,进而构成自平衡体系[32]

2 结构形式选取原则

综合上述对干煤棚结构形式的分类和介绍,可看出干煤棚结构形式的选择受到多方面因素的影响。通过总结归纳,试从构造性、经济性、适用性、可行性、功能性对不同结构形式进行对比分析,进而对干煤棚结构形式的选取提出建议。

2.1 满足构造性能

结构形式比选的前提是力学性能满足构造的需求,在此基础上再考虑经济性、周边环境等因素的影响。对于干煤棚结构来说,不同结构形式具有不同的受力机理和传力机制,针对不同规格和要求的煤棚,其结构形式首先必须满足承载力及变形要求,同时也要结合其作业方式进行合理的构造布置,满足项目的整体规划要求。现阶段采用空间网格结构的煤棚相较于平面结构具有更好的空间性能,受力更合理。此外,在结构选型时还应考虑到建筑外观造型,能和整个项目相适应,避免不和谐因素。

2.2 考量经济指标

对于干煤棚结构,经济效益的直观体现是用钢量,最早投入使用的平面拱结构形式的用钢量往往在100~200kg/m2,现阶段常见的柱面网壳或球面网壳形式的用钢量往往在30~60kg/m2,近年来兴起的气膜式干煤棚则采用新型材料气膜代替传统钢构件,大幅度提高经济效益。除恒定的经济指标用钢量外,干煤棚结构作为特殊用途类建筑,还需考虑前期投入和后期维护费用,因此需综合考虑设计用钢量、现场施工及后期监测维护,甚至包括应急情况处置等各项经济指标,对各种结构形式进行比对进而提高经济效益。

2.3 考虑适用环境

建筑物结构形式会受到外部环境制约,因此在结构选型时需考虑结构形式是否适用于工程项目的外界条件。具体到干煤棚项目,需考虑2个部分:(1)区域空间因大多数全封闭煤棚项目均在原有露天或半露天煤棚基础上进行改造,因此占地面积会对结构选型形成限制,如网壳结构会因场地形状的限制而选择球面网壳形式;(2)外部荷载因干煤棚多属于大跨结构,其控制荷载往往是风雪等与地域相关的荷载条件,同时温度荷载有时也起控制作用,因此需综合考虑项目所在地的具体荷载情况来开展选型工作。

2.4 项目可行性分析

对于全封闭煤棚项目,其特殊的使用方式使其相较于其他建筑项目更需进行多层次可行性分析。干煤棚项目的可行性分析主要是现场施工和作业要求方面:现场施工方案选取,施工人员、设备配置、施工工期的时间成本均影响现场施工,因此,在结构选型时需要结合结构施工方案要求;作业要求则主要是为保证其内部输料栈桥及取料机安装和正常工作,而在选取设计方案时考虑尺寸和形式上的限制。

2.5 功能特性需求

煤棚结构功能主要是煤炭储藏和运送,为更好地实现这一功能,煤棚结构往往会配备通风除尘、温度预警、数据监测系统,因此在结构设计时需考虑这些系统的配备和安装问题,预留出足够空间。同时,在结构选型时宜针对煤炭易燃、煤棚通风不流畅问题进行分析,从结构形式上采取措施,予以优化。

3 结语

本文总结了全封闭煤棚常用结构形式,归纳为刚性结构体系、刚柔结构体系和柔性结构体系。就每种具体结构形式从受力性能、经济性能、适用条件等方面展开讨论,可对全封闭煤棚结构形式的选取提供参考。

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