大跨度料棚设计概述

大跨度料棚设计概述

张明涛

中冶东方工程技术有限公司山东青岛266555

摘要：本文介绍大跨度料棚的设计。

关键词：大跨度；料棚；设计

Abstract：Inthispaper，weintroducethedesignoflongspangoodsshed.

KeyWords：longspan，goodsshed，design

一.绪论

为满足环保部门日益严格的环保要求，改善当地的大气环境质量，与当地居民融合发展，各工矿企业散堆物料场所需要封闭。同时，封闭后料场内原料不受气候条件的影响，原料含水率相对稳定，工作时给料均匀，保证运输系统能长时间在额定工况下运行；存放在封闭原料场内原料减少日常运行中由于扬尘及雨水冲刷带来的原料损失。将原料场封闭后具有很大的社会效益及一定的经济效益。

二.料棚分类

根据所储存的物料来分类，料棚基本上分为煤棚与矿棚两类。储存煤碳或焦炭的料棚一般统称煤棚，根据《建筑设计防火规范》的相关规定，煤棚的生产类别属于丙类，对防火有较高的要求。储存铁粉、球团矿、石灰石等矿物的料棚一般统称为矿棚。根据《建筑设计防火规范》的相关规定，矿棚的生产类别一般属于丁戊类，防火要求相比煤棚的要求低。

三.料棚设计选型

料棚选型一般根据场地条件与料场运输方式来确定。一般可分为平板网架或三心圆柱面空间网壳。本文主要讨论弧形网壳结构的设计。

一般汽车运输配合铲车作业，将堆料推至地下受料口，该类型料场立柱布置比较灵活，柱距满足重型自卸车转弯要求即可。柱距一般可以控制在50米以内，采用平板网架的形式比较适合，经济性与适用性能很好的兼顾，同时还能根据场地条件，将料场布置成异形。最大限度的发挥已有场地的作用，尽量增大堆料面积与堆料体积。

采用堆取料机堆取料的料场，一般单台堆取料机的臂展在30米以上，两侧回转需要净距在80米以上；两台堆取料机同在一个料棚内，一般需要两侧净距在130米以上。对于如此大的跨度，且堆取料机高度又都在20米以上，采用三心圆柱面网壳比较适合。采用三心圆柱面既能很好的保证料棚两侧的净高，保证堆取料机斗轮的正常上下运行；同时还使得料棚最高点不至于太高给施工带来较大的吊装难度。

四.网壳结构材料

1.杆件杆件种类可采用高频焊管或无缝钢管，相关规范并无明确规定必须采用无缝钢管。一般情况对于壁厚较厚的钢管（如大于8毫米）建议采用无缝钢管，当厚度大于8毫米后高频焊管不易焊透，当有可靠依据时厚壁杆件也可采用高频焊管。根据杆件尺寸及受力情况，杆件材质一般采用Q235或Q345系列材质。

2.球节点球节点一般选用螺栓球节点或焊接球节点，首选螺栓球节点，螺栓球节点安装方便，用于多种安装方法。当螺栓球节点不满足要求时选用焊接球节点，焊接球节点现场施工难度较高且安装成本高。需要注意的是全螺栓球结构不太适用滑移法施工，如全螺栓球结构采用滑移法施工需要采用相应的临时支撑结构。

3.高强螺栓高强螺栓应符合《钢网架螺栓球节点用高强度螺栓》（GB/T16939-2016）的要求。根据受力情况及构造要求选取相应规格的高强螺栓。

五.建筑要求

1.纵向温度缝按照《钢结构设计规范》（GB50017）纵向温度缝规定的长度进行控制，非采暖地区的料棚纵向温度缝按220米控制，采暖地区纵向温度缝按180米控制。纵向温度缝的设置主要目的是降低温度应力及温度变化引起的纵向位移，实际上空间结构设计时温度应力是需要计算的一项重要内容，温度变化引起的纵向位移也是可以精确计算，采取相应的措施消减温度应力非常重要。

2.采光一般采用压型钢板与采光带间断设置进行采光，采光板一般采用采玻璃纤维聚酯采光板，厚度由计算确定。一般情况下采光板会附着少量灰尘，令采光率有所降低，设计时应适当增加采光面积。

3.通风一般采用自然通风即可满足要求，通风方式一般有门洞（不设门）、百叶窗、防风抑尘网等共同达到通风要求。当上述通风设施不满足要求时也可在料棚顶部设置通风器或者风帽，常规通风器的设置会急剧增大料棚本身用钢量（风荷载与自重的影响），目前薄形通风器的应用能很好的达到通风要求，同时又几乎不增加料棚本身的用钢量。

4.防腐料棚中的腐蚀介质浓度一般都比较高，使料棚在比较恶劣的环境下工作，料棚防腐是一项非常重要的工作，目前常用的方法是

5.防火料棚根据棚内储存物料种类进行火灾危险性分类，并确定相应的耐火等级。同时考虑防火分区及消防疏散问题。需要特别注意的是煤棚或焦炭棚，根据火灾危险性分类属丙类，如按照仓库来进行防火分区每个防火分区的面积最大为6000m2或12000m2（按按煤均化库考虑），需要将面积大于12000m2的煤棚或焦炭棚分为若干段，每段之间保证足够的防火间距，（最少10米）煤棚或焦炭棚就实现不了完全封闭，达不到环保要求。现在一般是把煤棚或焦炭料棚归到厂房类里，并把耐火等级提高到一级，防火分区面积可以不受限制。从而将煤棚或焦炭棚做成全封闭结构。在确定耐火极限时网壳的梁或柱不易区分，一般认为网壳杆件属于柱（有时为节约投资将料堆最大高度以上1.5米以上的网壳结构杆件归属梁），檩条可以划分到围护结构。确定耐火极限后需要对钢结构进行相应的防火处理，一般是选用防火涂料，在满足要求的前提下尽量选用薄型防火涂料，方便施工的同时可以减小网壳结构的静荷载。防火疏散要求满足相应规范的要求。

六.结构设计

1.确定外形料棚外形尺寸受棚内设备运行包络线及结构场地条件的限制非常大，在有足够场地的情况下尽量让圆弧直接落地，降低结构用钢量同时能保证网壳在横向有足够的刚度。如场地宽度受限制时，为满足设备运行包络线的需要在弧形网壳下加直段（到U形），网壳结构用钢量会大大增加，同时由于直段的存在令网壳在横向的刚度大为降低，风阵系数增大。在目前的技术条件，将料棚的横向跨度控制在120米以内是一个比较经济的，当跨度大于140米时网壳结构的用钢量会急剧增大，同时焊接球的比例会超过50%，安装的难度加大，投资也会急剧增加。当140米跨度的料棚仍不满足设备运行包络线的要求时，建议对工艺设备进行限位或平移设备，不建议将料棚跨度继续增大。

2.结构设计基本规定

矢跨比矢跨比可取0.2~0.5，矢跨比太小支座推力太大，基础基础设计难度也较大；矢跨比太大结构总高度又太高，给吊装带来较大难度。如100米跨网壳，矢跨比取0.2，荷载作用下（活荷载0.5KN/m2，基本风压0.55KN/m2）支座推力在800KN左右，该推力给基础设计带来较大困难；矢跨比取0.5，结构总高度约50米，网壳的施工就比较困难。根据已有经验，100米跨度左右的网壳取矢跨比0.3~0.4是比较合理的。

变形《空间网结构格技术规程》规定空间网格结构在恒荷载与活荷载标准值作用下的最大挠度值不宜超过1/250，该规定属于比较宽松的规定，100米左右跨度的网壳基本都能满足该要求。当跨度增大到120米以上，矢跨比又比较小，基本雪压又大于0.5KN/m2，时挠度值就有可能不满足要求了，最有效的办法是适当的增大矢跨比。矢跨比对网壳结构的挠度影响非常大。

长细比《空间网结构格技术规程》规定双层网壳受压杆件长细比不宜大于180；一般受拉杆件长细比不宜大于300；支座附近受拉杆件长细比不宜大于250。双层网壳结构的破坏绝大多数都是源于稳定破坏，特别是受拉杆件荷载反号引起的失稳破坏。的实际工程中都会规定当受拉杆件的内力小于某值（如5KN）时拉杆按压杆计算，这一措施能避免拉力很小的杆件反号应为稳定破坏。实际工程中也可将所有的杆件按压杆控制长细比，对于100米跨左右的网壳结构，全部按压杆控制长细比用钢量增加2%左右，能有效避免因拉杆荷载反号引起的失稳破坏。需要特别注意的是抗震验算时支座附近的杆件需要加强，一般取临近支座一排或两排，抗震验算时更严格的控制长细比，7度时长细比空制在150以内，8度9度时长细比空制在120以内。

3.荷载取值及组合

恒荷载网壳恒荷载主要包括网壳自重、檩条、压型钢板或膜、吊灯等。网壳自重包括杆件、球节点、高强螺栓、锥头、套筒等，可以根据经验估算，也可以程序自动计算。檩条自重一般根据经验估算，一般情况下檩条及檩托板等附件的重量按10Kg/m2估算。压型钢板根据板厚及板型计算。如采用张拉膜作为围护材料，张拉膜的拉力也需要按恒荷载考虑。吊灯等荷载根据具体情况施加于相应的节点。

活荷载活荷载根据《建筑结构荷载规范》取值，一般情况下取0.5KN/m2，并考虑活荷载不利布置。活荷载不利布置一般取半跨活荷载分别施加于网壳跨度方向的两个半跨，取半跨活荷载的目的是避免网壳结构发生反向屈曲。

风荷载风荷载参数主要包括基本风压、体型系数、风压高度变化系数、风阵系数。基本风压按《建筑结构荷载规范》中设计基准期为50年或100年采用；一般跨度大于100米时取100年设计基准期基本风压取值，跨度小于100米时按50年设计基准期基本风压取值；特别需要注意的是料棚属于对风荷载敏感的建筑物，当基本风压过小时需要适当提高基本风压。风荷载体型系数一般通过风动试验分析获得，当料棚周围无高大建筑物及构筑物时也可参照类似工程风动试验结果。风压高度变化系数根据《建筑结构荷载规范》相应的地面粗糙度类别及某点的高度，通过查表或直接计算取值；需要注意的是地面粗糙度类别对风压高度变化系数影响非常大，正确的判断地面粗糙度类别非常重要，如浙江衢州某项目地面粗糙度类别原按B类取，实地考察论证后按C类取值，风压高度变化系数由1.42降低到1.0，网壳结构用钢量能较大降低。风阵系数根据网壳的自振周期、矢跨比等参数计算。

需荷载基本雪压按《建筑结构荷载规范》中设计基准期为50年或100年采用；一般跨度大于100米时取100年设计基准期基本雪压取值，跨度小于100米时按50年设计基准期基本雪压取值。特别需要注意的是多跨连续弧形网壳的波谷处，该处积雪源于两侧弧形网壳上积雪滑落堆积。雪荷载需要引入积雪密度计算，总思路是该区域总的积雪体积减掉《建筑结构荷载规范》所规定的弧形屋面所能堆积雪荷载转化的体积，剩余两个半弧上的积雪全部滑落到波谷，依据堆雪体积转化为均布荷载或线荷载。如河南安阳某工程双跨连续，波谷处积雪线荷载达到18KN/m，该工程在建筑构造上采取措施排雪。通长还可以在积雪处设置电伴热融雪装置。

地震荷载一般采用时程分析法或阵型分解反应谱法进行地震荷载分析。需要特别注意的是支座附近的杆件需要加强，一般取临近支座一排或两排，且定义为关键杆件，抗震验算时增大地震荷载效应；7度时放大1.1倍，8度时1.15倍，9度时1.2倍。

温度荷载由温差引起的杆件固端反力当做等效荷载反向作用在杆件两端节点上，然后按有限元法分析。由温度变化引起的横向温度荷载对网壳结构的影响较小，网壳本身通过竖向变形卸掉该荷载。由温度变化引起的纵向温度荷载对网壳结构及基础的影响非常大，一般是通过可滑动的支座将该荷载卸掉。

荷载组合按《建筑结构荷载规范》规定的计算方法进行荷载组合，需要注意的是由可变荷载效应控制的组合及由永久载效应控制的组合都有可能发生，故需要按《建筑结构荷载规范》3.2.3-1事及3.2.3-2式分别组合。

4.结构计算计算内容包括刚度计算、自振周期计算、内力计算、杆件截面计算、节点计算、整体稳定验算等。网壳结构计算可采用计算机辅助程序，按有限元法计算。常用的专用软件有MST、SFCAD等，都能比较精确的计算常规网壳结构。需要注意的是一般还需要用分析软件对计算结果进行分析，常用的分析软件有MIDASGEN等。网壳结构杆件单元数量大且属于高次超静定结构，用手算的方法很难完成。

七.经验总结

1.支座处理一般网壳结构的横向温度应力通过竖向变形进行卸荷，温度变化对网壳结构的横向影响较小。网壳结构纵向受温度变化影响巨大，如将纵向温度应力作用于杆件及基础上，结构用钢量较大，同时基础支座反力也很大，基础设计难度也较大。一般是将整段网壳结构中部的几个支座（2~3个）三向约束，其余支座约束竖向及横向，将纵向放开，使之能沿网壳纵向滑移。由温度变化引起的纵向杆件伸缩通过单项滑动支座释放，从而降低温度应力。纵向滑动量可根据材料线膨胀系数及温差计算，支座可滑移量大于纵向滑移量。

2.山墙处理全封闭料棚山墙可采用管桁架结构、墙皮柱加支撑结构、平板网架结构等。无论采用何种结构形式，都需要所采取的构造措施符合计算假定。当采用分离式山墙时，需要采取相应的构造措施能使网壳能竖向及横向自由变形，防止分离式山墙限制网壳结构正常变形引起网壳结构内力从分布而引起杆件失稳。所采用的构造措施有弹簧板及长圆孔等措施。当采用平板网架山墙时需要加强平板网架与网壳交接处附近的杆件，避免由位移引起的内力从分布。

3.影响网壳结构用钢量的因素

设备平台增加主体结构用钢量。如射雾器平台设置于网壳结构上，会带来不小的附加荷载，会使主体结构用钢量有所增加。

附加构件使主体结构荷载增大而使用钢量增加。如天沟或通风器设置于网壳结构上会使主体结构用钢量相应增加。一般料棚平面尺寸较大，汇水面积也较大，天沟平面尺寸通常在0.5m2以上，加上天沟自重约每米6KN，这个荷载加到网壳结构的影响不容忽视，能使100跨左右网壳结构用钢量增加1~2Kg/m2。

调整纵向网格尺寸会使主体结构用钢量增加。如原料场封闭改造项目调整支座间距而使网壳结构基础能落地也会使主体结构用钢量增加。

增加网壳结构直段使主体结构用钢量大增。受场地限制，跨度不能增大的情况下满足已有堆取料机臂展方向正常工作，需要在三心圆柱面底端增设直段，该情况会使网壳结构介于门式刚架结构与拱结构之间，受力情况及为不好，主体结构用钢量激增。

内弧支撑会使主体结构用钢量增大。受工艺条件及现场条件限制，有时需支撑网壳结构内弧，使网壳基础更靠近料堆，能最大限度的增大料场外路面宽度。该情况下使网壳杆件峰值内力约为同等条件下外弧支撑的1.4倍，用钢量也会相应增加，试算后得出结果，主体结构用钢量约增加8%。

是否设置山墙对网壳主体结构用钢量有较大影响。料棚端部封闭，端部风荷载沿纵向传递至基础，荷载路径上的杆件均需加强，对整纵向网壳的用钢量带来不可忽视的作用。如山东日照某工程矿棚跨度106m，长度610m（预留延长90米封闭的可能），封闭面积61000m2；端部敞开，主体网壳结构用钢量约为55Kg/m2。河南安阳某工程料棚长度460米，宽度213米。采用双拱双跨网壳结构，跨度为102.75米+110.25米，端部封闭，纵向主体网壳结构用钢量约为62Kg/m2。堆取料机运行包络线类似，料棚总高度基本相等；基本风压几乎相同；用钢量差了10%以上，大部分原因是由于纵向网壳传递山墙荷载引起。

4.经济网格划分基本风压W0=0.50kN/m2；地面粗糙度C类；抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，建造于Ⅱ类场地土上，设计地震分组为第一组；所有管件材质Q235B；所有网壳外弧支撑。按如下方式网格划分能使网壳的用钢量降到较低水平。

80米跨网壳，横向29格，横向网格尺寸3800mm，矢跨比0.35；网壳厚度2500mm；纵向网格尺寸4500mm；网壳主体结构用钢量35Kg/m2。

100米跨网壳，横向33格，横向网格尺寸4100mm，矢跨比0.34；网壳厚度2600mm；纵向网格尺寸5000mm；网壳主体结构用钢量43Kg/m2。

120米跨网壳，横向35格，横向网格尺寸4600mm，矢跨比0.34；网壳厚度3000mm；纵向网格尺寸5500mm；网壳主体结构用钢量47Kg/m2。

以上数据经过多次比较及试算得出的结果，明显的趋势是网壳结构跨度增大，平米用钢量在增大，且增幅较大。

八.网壳设计及施工中存在的问题

1.杆件初始缺陷因素很难融入计算模型，目前所用网壳结构专用软件很难分析杆件初始缺陷的因素对计算结果的影响，杆件初始缺陷因数也很难通过量化来反应。目前通常做法是通过限制材料应力比来考虑初始缺陷的因素，一般将材料应力比控制在0.9或0.85以下，该方法能大概的考虑杆件初始缺陷引起的不利影响，但不能较为精确控制，且不能区分杆件加工企业的加工精度。

2.整体稳定分析的可行性较低。《空间网结构格技术规程》规定单层网壳及厚度小于跨度1/50的双层网壳均应进行稳定性计算，网壳稳定性可按考虑几何非线性的有限元法（既荷载——位移全过程分析）进行计算，计算过程为迭代法，但对于较大规模网壳结构，计算结果大多不收敛，无法得到安全系数K值。为解决该问题，一般是将厚度取值大于跨度的1/50，以避开《空间网结构格技术规程》相关条款规定需要计算要求。根据规《空间网结构格技术规程》相关要求是不需要计算了，但在基本雪压较大时网壳结构整体稳定是否能保证只是依靠构造要求来保障有些随意。

3.施工质量影响网壳结构的可靠度。网壳结构杆件的加工精度直接关系到杆件初始缺陷，在目前市场需求量大的前提下，不少加工能力较差的企业承揽相关加工业务，给网壳结构带来不小的安全隐患。

4.施工方法影响网壳结构安全。目前网壳结构的施工方法主要有高空散装法、提升法、顶升法、网壳滑移法、胎架滑移法等。网壳结构不同的成型方法会使结构的应力状态不同，有时会影响结构的可靠度。如采用滑移法施工，在滑移的过程中有可能造成螺栓球节点的高强螺栓松动；滑移过程中支座外偏，使网壳产生较大竖向变形，该变形不可逆，导致初始缺陷增大。这两种因数都无法量化从而通过计算来弥补，直接影响结构的安全。

九.结语

大跨度料棚能满足环保部门日益严格的环保要求；改善当地的大气环境质量；减少日常运行中由于扬尘及雨水冲刷带来的原料损失。基于这几点，各企业纷纷立项新建及改造料棚，市场需求突然大增。希望本文能够给从事该行业的工程师提供帮助。

参考文献：

[1]钢结构设计规范（GB50017-2003）[中华人民共和国建设部]

[2]建筑结构荷载规范（GB50009-2012）[中华人民共和国建设部]

[3]空间网结构格技术规程（JGJ7＆J1072-2010）[中华人民共和国住房和城乡建设部]

[4]建筑设计防火规范（GB50016-2014）[中华人民共和国建设部]