【钢结构·技术】大跨度干煤棚的结构方案选型研究

干煤棚结构需要能满足一定的净空工作，有受力性能稳定、经济指标优越、施工安装方便等要求。目前，可用于干煤棚的结构形式众多，主要的结构形式有网架结构、网壳结构、管桁架结构、预应力拱形结构和充气膜结构等。

对于50m~120m甚至150m跨度的封闭煤场，选用双层网壳结构较为经济，如柱面网壳和球面网壳。常用的柱面网壳有圆柱面网壳或三心圆柱面网壳；网格单元常见的有正放四角锥、斜置正放四角锥和正放抽空四角锥等形式，其中正放四角锥圆柱面网壳受力均匀，使用最为广泛；对于跨度超过150m的干煤棚结构，采用增加预应力拉索的方式与网壳或管桁架结构形成张弦拱体系，可改善结构的受力性能，增加结构刚度，减小杆件峰值内力和下部基础的水平推力；充气膜结构是一种比较新颖的结构，利用充气膜的内外压力差来抵抗自重和风雪荷载。这种结构施工效率高、工期短，跨度可达200m以上。

充气膜的内压设定

某斜交索网加强的充气膜结构计算

充气膜结构的节点构造设计

上述空间结构均能满足干煤棚结构对跨度和高度的要求，但结构的受力性能和技术经济指标等 方面有一定的差异。 针对不同的跨度和外形需求，可具体选取不同的结构形式。

尺寸50m*75m，矢跨比0.3，矢高15m，厚跨比1/3.3，厚度1.5m。

表1为不同结构形式用钢量对比。抽空正放四角锥能降低20%用钢量，其中用钢量最低的为抽空正放四角锥圆柱面网壳。增加山墙的网壳使得结构总钢量增加。三心圆柱面网壳钢量略大但使用空间要优于圆柱面网壳。结构变形如表2所示，均满足规定要求，三心圆截面的竖向挠度要明显高于圆柱面截面形式。从杆件内力看（表3），除球面网壳外，抽空正放四角锥圆柱面网壳杆件峰值压力最小，而抽空形式的三心圆柱面网壳弦杆峰值压力增加。结构的弹性稳定系数如表4所示，各类型的结构均能满足弹性安全稳定系数要求。

尺寸100m*150m，考虑施加预应力索，矢高取40m，矢跨比0.4，厚跨比0.035，3.5m。

从用钢量看（表5），采用抽空正放四角锥相比正放四角锥结构增加了用钢量。三心圆柱面网壳中，管桁架的用钢量最少。正放四角锥圆柱面网壳用钢量略高，布置两侧山墙或竖直段提高了整体的用钢量。布置下垂索对主体结构用钢量的影响不明显。从刚度上看（表6），各种形式均满足规定要求，增加山墙可提高侧向刚度，水平侧移是柱面网壳中最小。表7为杆件内力峰值和支座反力最大值。跨度较大时，抽空四角锥形式的优势不再突出，会明显增加腹杆压力和弦杆拉力峰值。从稳定性看（表8），除改进型铰接六杆四面体圆柱面网壳外，均能满足稳定要求。

尺寸150m*200m，矢跨比0.3，矢高45m，厚跨比0.028，4.2m。

从表9可以看出，当跨度为150m时，正放四角锥三心圆柱面网壳结构的整体用钢量为54.7 kg/m2，布置了下垂索后整体用钢量略有增加。管桁架结构的用钢量低于网壳结构。从刚度看（表 10），各种形式的变形均满足规定要求。未施加预应力的网壳和管桁架变形比较接近。网壳和管桁架增加下垂索后，竖向挠度下降明显。对于增加斜拉索的管桁架，竖向和侧向位移减小。表11为杆件内力和支座反力最大值。三心圆柱面网壳结构的最大弦杆压力超1000KN，需要使用焊接球。布置下垂索能降低峰值压力20%。再增加斜拉索后，杆件内力和支座反力均低于下垂索形式。由表12可以看出，各类结构均能满足稳定性的要求。

尺寸 200m*200m，矢跨比 0.25，矢高 50m，厚跨比0.02，4m。

对比不同结构类型用钢量，如表 13。圆柱面网壳用钢量为58.6kg/m2，但三心圆柱面网壳用钢量要高出30%，达到78 kg/m2。在非预应力管桁架结构形式中，矩形截面管桁架用钢量最大，其次是倒三角截面形式。3+4的组合截面形式用钢量最小，为67.6 kg/m2。在施加下垂索情况下，倒三角截面用钢量下降7%。在组合预应力布索方案中，多布置了斜拉索，3+4组合截面形式的用钢量为57.3 kg/m2，比非预应力情况下降了15%。从表14可知，圆柱面网壳的竖向挠度最小。非预应力的网壳和管桁架竖向挠度均超过了500mm，影响正常使用。布置下垂索能降低20%左右的竖向挠度。表15从杆件内力看，网壳的最大腹杆、弦杆内力分别超过1000kN、3000kN。非预应力管桁架腹杆、弦杆内力分别超过2000kN、6639kN。从表16看，各类结构均满足稳定要求。

尺寸250m*200m，矢跨比0.3，矢高55m，矢厚比0.028，5m。

由表17可知，相比200m跨度，预应力对网壳的用钢量影响不明显。管桁架结构的用钢量有明显的增加，非预应力管桁架已经超过100 kg/m2。从柱距看，15m柱距倒三角截面管桁架用钢量是非预应力管桁架中最低的。布置下垂索能减少20%用钢量。倒三角+下垂索用钢量最低，仅为80.5 kg/m2。表18中，非预应力的网壳和管桁架竖向挠度均超过600mm，影响正常使用。布置下垂索能降低近50%的竖向挠度。从表19可看出，对于3+4组合截面，柱间距大的弦杆峰值内力大，15m比25m柱间距的峰值压力和拉力下降约50%，支座反力下降了38%。布置下垂索降低了50%的峰值压力和70%的峰值拉力，水平支座反力下降了33%。从表20看，各类结构均满足稳定性要求，其中圆柱面网壳稳定系数最大。

随着大跨煤棚的应用越来越广，本课题的研究成果可以为承接大跨度项目提供切实可行的技术支持。参考研究报告可以选择合理的结构方案，节省用钢量及造价，为市场端和技术端提供强力支点。