【doc】台州电厂干煤棚折线形网状筒壳的选型与结构分析

【doc】台州电厂干煤棚折线形网状筒壳的选型与结构分析 台州电厂干煤棚折线形网状筒壳的选型与 结构分析 苹1喜摹4期空问蛄构1995年n月 台州电厂干煤棚折线形网状筒壳 的选型与结构分析 董石麟高博青童建国 (浙江大学)(浙江省电力院) 摘蔓丰文对电厂干蝉棚蛄构的选型原则作了详细介绍?蛄台台州发电厂干鳆棚实际 精况.鞋出了岛L向带折的折线形网状筒壳鲒构形式.通过计算分析明?这种鲒构形式比一般 光面网状筒亮具有更太的刚度.杆件内力显着障低,能取得较好时盟济盏苴.与此同时,主中对 台'If电厂干赡棚舟亮的轩件布置,同壳两侧开湖方法,同拈时划分以曩节点彤式作了全面的介 蟮.丰文还采用空间网括结构自动分析CAD暮境对台州电厂干焯棚进行了结构舟析和谩计, 得到了有竹值的结论. 关麓调网状筒亮选型蛄构分析折线形干煤棚 一 ,我国干煤栅结构的发展与应用 干煤棚结构要求跨度大,净空高,并且要满足一定的储存和作业空间在我国,这类结构始 建于8O年代初,其主要结构形式有:平面刚架,平面桁架,平面拱结构和柱面阿壳结构.表1给 出了国内部分千煤棚的平面尺寸.结构形式及技术经济指标. 丧i国内部分干攥掷技术经济指标 基本风压用锕量工程名称结构形式跨度(m)柱距( m)长度(?)矢高(?)fkN/ m)(kg/m) 金陵石化厂柱面阿壳73.8阿格3,756028.7182 嘉兴发电厂网状筒壳103.5网格4.008032.96062.2 山西稷山煤库球面同壳D一47.2}}14.64O2O.2 石洞口=厂折线拱102.21010042.555166 镇海电厂三铰拱73.87.582.531.472l29 石洞口电厂三铰拱73.67.51203O.655122.5 戚墅堰电厂三铰拱73.6767.57531.84599 谏壁电厂两铰拱73.87.597,528.64580 上海石化=厂两铰拱75.27.5753060100 台,II电厂一朝三铰拱757'582531.t72139 文稿收到日期,1995.9.20 从表1可知,空间结构的性能优于平面结构.空间结构具有雕度大,受力量空闷状态,单根 杆件内力较小,可在工厂制作,确保加工精度.安装方便,无需大型安装设备等优点;而平面结 构构件内力太,受力不均匀.常需要大型安装设备,耗锕量相当可观,技术经济指标较差- 目前,可供选作千煤棚的空间结构主要形式有:(1)双层网状筒壳l(2)双曲扁同壳(3)球 面阿壳.(4)斜拉网架网状筒壳的体型基本上与煤棚结构的工艺要求相符网状筒壳兼有壳 体结构和杆系结构的优点.传力路线短捷明了,荷载可直接沿弧线传递给基础,屋面构造简单, 安装方便,经济效益十分显着,是一种较理想的空间结构形式据不完全统计?近几 年来我国已 建成各种类型的网状筒壳结构迭3O座之多.这些网状简壳除应用于千煤棚结构外,还广琵应 用于其他工业与民用建筑.双曲扁网壳结构选型丰富,受力性能较网状筒壳为好,双向传力明 显,但其杆件类型较多,屋面处理困难.球面网壳因其良好的受力性能也广泛应用于煤仓等工 程中,如山西稷山煤库,山东枣庄矿务局柴里选煤厂煤仓等.球壳尤为适用于顶部需开洞的煤 仓工程,可取得较好的经济效益.斜拉网架是一种新型的空间结构,它是通过斜拉索将网架与 独立塔柱相连接的杂空同结构,拉索上端连接在塔柱上,而下端与同架节点相连.斜拉同架 通过设置一定数量的塔柱和斜拉索,可使原结构内力分布均匀,受力更加合理,充分发挥高 强度索的作用,丰富建筑造型,是一种跨越能力大,经济指标优的结构体系. 总之.可供选作干燥棚的空间结构形式很多,在蜜际工程中应作具体分析?以期最终寻求 到一种受力牲能合理,制作安装方便,经济指标优越的结构形式 二,台州电厂干煤棚的选型 台州电厂位于椒江入口海岸,现建有5×125MW燃煤机组.本期工程设计容量为2× 33oMW燃煤机组.为确保安全可靠运行,电厂按五天耗煤量建一座干煤棚,室内安装一台斗 轮式堆取料机.该煤捌设计跨度80.144m,长度82.5m.矢高33.740m.煤橱两1赙是露天煤堆- 设计时应考虑煤堆与煤硼尽量少接触,其轮廓尺寸见图1. 在确定车工程煤橼结构时,考虑了如下因素:(1)煤糖的内轮晦尺寸须蹒足工艺要求t 并尽可髓节约空间I(2)煤栅应与两侧煤堆少接触}(3)结构要有较好的刚度I(4)制作安装方 便;(5)经济指标优越;(6)建筑造型丰富.因而,该工程煤棚结构的基本轮廓采用网状筒壳形 式为减少干煤棚与边上煤堆接触,同时为便于采用独立基础,降低材料耗量和造价,故船网壳 纵向两侧仅设置少量支座节点,两恻开设较大的门洞.往,网状筒壳大多为光面,为提高结构 剐度,丰富建筑造型,本工程采用了纵向为折线形的网状筒壳.表2缭出了折线型网状筒壳和 光面同状筒壳在竖向荷载工况下的变形,内力及相对经济指标.从表2可以看出,,折线形网状 筒壳比相砬光面网状筒壳的剐度可提高26其最大内力可降低22%,而且用钢量略有下降. 表2折线形阿状箐壳与光面网状筒壳性能对比 ,, ,指标跨度(m)长度矢高同壳厚度折线坡度最大变位最大内力用钢量 壳\(m(m)(m)tern)(kN)(t) 光面网状筒壳80.14482.533.742.4/L3.4,9602l5 折线形同状筒壳8O.I4482.533.742.0N2.751'510.6,790213 23 卑? 圉1干煤捆轮廓尺寸聂网壳杆件布置圉 ... 对于网状筒壳的结构形式可选用正故四角锥体系,斜放四角锥体系,两向或三向平面桁架 体委以及三角锥体系等考虑到该结构风荷载是主要荷载,斜放四角锥不易发挥上弦杆件比下 ?lllI_____?__I__????__lIl-_?-??? 十??引引?,;_-t 弦杆件短的特性.结构剐度也较差,教不宜采甩{两向平面桁架体系的侧向刚度较弱,而三向平 面桁架体系及三角锥体系则需要较高的制作安装精度,对于象这种复杂曲面结构更增加了难 度.为此,奉工程采用正放四角锥体系. 结构的外形尺寸是结构设计的重要内容.首先,结构外形尺寸要满足工艺要求,同时又要 考虑传力路径.曲面形式直接关系到结构的性能,刚度,稳定性及材料的耗甩量.曲面展开面 积不能太大,否则会增加结构的耗钢量,此外还需考虑结构横数等目紊.构成冈状筒壳曲面一 般可用圆弧线,抛物线和直线段等来拟合. 台州电厂干煤棚外形曲线是通 过拟合得到的,采用了圆弧和直线 段两种形式.两侧采甩直线段.内部 区域采用了三心圆.图2为矢高最 大的一截面,其中大圜上弦半径R. =62.55m,两小圆上弦半径R.= 18.90m,直线段离基础顶面为 13.2m.结构措纵向采甩五个整波 段,两端各延伸l/4波段,每一渡段 长为15m,沿纵向水平方向分成四圉2期壳剖面目 个冈格,每一冈格的水平尺寸为3.75m.阿壳横向阿格尺寸基本相同,为3.75m,局部范届作 了适当调整.冈壳内部最小厚度为2.OOm,最大厚度为2.75m,纵向折线坡度为15,I波段 的剖面图见图3.为了使闻壳落地处尽可能与煤堆少接触,阿壳两侧落地处各开设了五个门 图3I波段网壳纵向图 洞,这些门i阿开设在冈壳脊线落地部位?以减小冈壳的跨度.圉4网壳门洞尺寸圉 门洞通过删去阿壳的某些节点和杆件,调整某些节点的坐标, 使门洞形成二折线的梯形平面形状(见图4),减小门i阿部位的应力集中.冈壳由谷线部位杆 件直接落地形成12条支承腿,每条支承腿有四个节点与基础相连由于支座数量减少, 致使冈 壳支撵腿部内力相对较大,因而将网壳腿部支承处厚度放大至3.5m. 三,荷载确定及荷载组合 台州发电厂干煤棚荷载有:(1)捂网壳曲面均匀分布的檩条及屋面荷载:0. 35kN/m} (2)沿水平面均匀分布的活载或雪载Cl,~O.35kN/m;(3)基本风压为0.?ZkN/m;(4)考虑均 匀温度差?t一士2O?}(5)由计算机自动形成的网壳自重. 25 台州电厂干煤棚位于海边,风荷载起着控翩结构内力的作用,因此对风载的取值必须慎重 考虑.由于本结构体型较为复杂,在荷载和以往的设计中均未涉及到这种结构的风载体型 .由表3可见,系数,因此需通过风洞试验来确定结构的风载体型系数,如表3所示该结构的 风载体型系数较复杂,共有96个,对网壳的风荷载进行计算机自动逐点计算. 衰3嘲壳风载体型系数位 在阿壳结构内力分析中,进行了下列荷载组合 (1)静载+括载} (2)静载+风载} (3)静载+括载+温度荷载. 四,结构的受力性能及结构的合理设计 本网壳的静力分析采用空间铰接杆分析方法对整个结构进行计算同壳共计1169个 节点,4396根杆件.在分析设计中采用了作者编制的空间网格结构CAD程序. 图5为结构在荷载工况(1)作用下的结构内力分布图.其中图5a为网壳端部1—1截面各 (b) 图5刚壳在荷载工况(1)下的内力图(比例尺;1o.kN/cmj 线上弦内力图,图5b为阿壳谷线下弦内力图,图5c,5d为脊线上,下弦内力图.从圈中可以看 26 , 山l^ 一一 到,在垂直荷载作用下,谷线上,下弦内力均呈五波段分布-支撑腿部位内力远大于其他部位的 内力.阿壳脊线上弦在横截面中部内力较大,而脊线下弦内力较小,内力均呈三波段分布从 总的内力分布情况看,由于结构的内力主要是通过谷线传递到基础的-故网壳腿部内力较大? 由于阿壳脊线标高高于谷线,所以脊线上弦跨中内力比谷线上弦跨中内力大.沿阿壳纵向结构 呈连续拱受力状态,有一定的空间传力作用,增加了结构的刚度,改善了整个结构的受力性能. 网壳基本上为单向受力体系,纵向杆件内力约为横向杆件内力的20~30.此外,靠近 嗣口的 脊线上,下弦内力都较小,这是由于结构内力主要是通过谷线杆件直接传递到基础的. 结构在荷载工况(2)作用下的内力见图6.图中给出了网壳端部1-1截面谷线和2-2截面 脊线上,下弦(图68,b和6c,d),阿壳中部3-3截面谷线和4—4截面脊线上,下弦(图6e,f和图 6g,h)阿壳尾部5-5截面谷线和6-6截面脊线上,下弦(图6i,j和图6k,1)的内力分布.从图中 可以看出,对于端部谷线,下弦内力较上弦内力大,也大于荷载工况(1)的内力,内力分布呈四 波段状态,约在横截面1/4,1/2,3/4处出现反弯点.谷线上弦内力比下弦内力小.而脊线上弦 内力比下弦内力大,谷线和脊线上,下弦所对应杆件的内力均呈反号.脊线内力亦呈四波段分 布,但反弯点出现在横截面中部及洞口附近.网壳纵向杆件内力较小.约为横向杆件内力的1/ S~l/lO.从总体看,网壳迎风一端内力最大,随后沿纵向逐渐衰减.风荷载是内力控制荷载. 网壳在备荷载工况作用下,每一支撑腿部对基础而言的最大竖向反力112OkN,最大弯矩 4500kN?m,最大横向水平推力600kN,而最大纵向水平力较小,约为10okN. 图7a为网壳3-3截面在荷载工况(1)作用下的变形图,此时网壳的最大竖向变位为 10.3cm,最大水平变位为3.6cmt变形呈对称三波段状态.图7b为网壳I—I截面在荷载工况 (2)作用下的变形图,此时网壳的最大竖向位移为7.5cm,最大水平位移为7.8cm,两者相当接 近.由此可觅,该网壳具有足够的刚度. 从总体来看,这种网状筒壳结构在横向呈折线形刚架受力性状,在纵向呈多波连续 拱受力 状态,但纵向内力远小于横向内力.此外,对该结构的非线性稳定验算表明,结构不会因失稳而 破坏. 根据以上对网壳结构受力性能和传力路径的分析,在设计该网壳时.内力峰值较大部位采 取了适当改善措施.如网壳支撑腿部,各荷载工况下均有较太的内力,为此,将同壳支撑腿部的 厚度放大,以降低这个部位杆件内力,使得结构内力较为均匀.由于该网壳基础采用混凝土搅 拌桩,持力层为岩石层,竖向压缩量很小,同时每个支座采用四个太直径螺栓,以承受不同风向 的支座竖向拉力考虑到安装的方便及网壳支撑腿部杆件较大,难以采用螺栓球节点.故网壳 的支撵腿部节点采用焊接球节点,而其他部位均采用螺栓球节点. 在设计过程中,分析计算了三种荷载j二况,随后由计算机自动将杆件截面配置进行对张化 处理,得到整个结构的杆件配置.此后,将对称化配置的杆件再作一次校核,进行少量杆件的调 整,最后得到结构杆件截面配置图. 应当指出,结构的设计是十分复杂的,它包括结构的选型,网格的触分,荷载的确定传力 路径的布置以及支座的设置和处理.本文仅对其主要部分作了阐述 27 t&1 , 一 一一 五一一...,一一一一! (g) 一………一一一一 (h1 固6用壳在荷载工况(0)下的内力固(比例尺:l0kN/m) 五,结语 通过对干煤栅结构造型及计算分析,可得到如下几点结论} (1)干煤棚结构采用空间结构比采用平面结构有明显的优越性,可根据具体情况造用.本 工程采用纵向带折,横向为三心圆加二直线段的开洞网状筒壳,不仅满足了煤堆对网壳型体的 要求和提高了结构刚度,而且丰富了建筑造型,获得较好的效果 28 图7用壳变位圉 (b) (2)在折线形网状筒壳设计中.风荷载是一个很重要的荷载?在没有资料可供参考的条件 下,一般应通过风简试验确定风载体蛩系数. (3)多荷载工况下网状简壳的设计.应注意力的传递路径,设置杆件应使传力路径简捷,直 接.同时尽可能使结构内力分布均匀. (4)本工程网状筒壳在各种荷载工况作甩下,最大竖向变位与跨度之比为1/78C?最大水 平变位与网壳高度之比为1/430,表明这种落地式折线形网状简壳具有足够的刚度. 参考文献 [I]董石赫;我国网壳结构发展中的新形式,新技术,新结构.结构与地基国际学术研讨会论文集一淅征大学 出版杜,199410. [2]沈祖爽,严慧,马克俭,陈扬骧:空间回架构,贵州省人民出版杜,1987. Es]2S.马柯夫斯基(赵惠赫译):穹顶网壳分析,设计与蓝工.江苏科学技术出版杜 -1992. ANALYSISANDFORMSELECT10N oFFOLDEDLATTICEDBARRELVAULT FORTAIZHoUPOWERPLANT DongShilinGaoBoqing ) (Zhe妇ngUniv臼西 TongJIa"guo (Zhej~angElectricPowerDesignInstitute) A州Inthispaper.formse]ectionfortheroofofcoalstorageisdiscussedanda? ewtypeofhtt~'edb蛐融 v~ultstructureTa/~houpowerplantI~esented-netsshowthatthistypekthansmoothvault Itcane~haneegi,reduceinternalf0畔andbeofgreatbenefitineo.玎Moreover.thea圩an 舯舶tof members-themethodofsettingupholes,thediv/aionoflatticeddandthedecisionofnodemod elsareintro- duced?/L~alyslaanddesignofthisvault札rt眦 earedlscu.,~edTheCADsy8temisu8edf0ram1.mgadde- gningthesLl~lCtUre.andthevaluableresultsareobtained. 29