原料场大跨度网壳结构设计探讨

原料场大跨度网壳结构设计探讨

唐建设

（中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆400013）

摘要：环保要求的提高加速了冶金行业封闭原料场的发展，冶金行业原料场规模大，料场长度一般达600m，邻近转运设施多，结构特征明显。本文结合多座原料场大跨度网壳结构的工程实践，对网壳结构布置、温度区段划分、支承方式、山墙结构、结构优化等问题进行探讨，所述内容可供同类工程设计参考。

关键词：原料场；网壳结构；结构设计；结构优化

1、引言

随着全球对环保的重视，国家对钢铁冶金行业的环保要求也在不断提高，以往常规采用的敞开式原料堆场，由于受到风、雨、雪等环境因素的影响，越来越难以满足环保的要求，尤其是原料场的粉尘和渗排污水对环境污染较大，取而代之的是环保性能优越的封闭式原料场[1-4]，它具有改善原料场工作环境、减少物料损耗等优点，近年来受到业主的青睐并被广泛采用。

用于封闭此类料场的结构跨度一般为60~200m，属于大跨度结构。结合工艺对结构所提空间要求，从工程实践调研和以综合经济指标为目标的优选分析，具有较大跨越能力适应两侧边多点支承的结构体系被广泛采用，如网壳结构、桁架结构等。冶金行业原料场规模大，物料转运频繁、高位转运多的特点，决定了其封闭结构跨度大，长度长，邻近转运设施多，结构布置较复杂。本文结合多个原料场大跨度网壳结构的工程实践，对网壳结构布置、温度区段划分、支承方式、山墙结构选型、结构优化措施等问题进行探讨。

2、原料场网壳结构布置

原料场封闭结构的跨度、矢高、长度，首先应根据原料场的工艺设备工作外轮廓线和平面尺寸确定，再选择合适的矢跨比、厚跨比、落地角、网格尺寸等。2009年投产的湛江某原料场矿石料场长595m，宽200m，如图1。设计上采用了2跨联拱网壳结构进行跨越，沿料条长度方向分为5段；结构矢跨比1/2.65，厚跨比1/30,落地角0°，网格尺寸4.4x4.44m，经受多次强台风考验，结构使用情况较好。

2013年投产的邯郸某矿石料场长540m，宽143m，设计上采用单跨网壳结构设置中间支撑柱直接跨越宽143m，如图2，在料条长度方向设置2道变形缝将网壳结构分为3段；结构矢跨比1/3.4，厚跨比1/40.8，落地角0°，网格尺寸4.345x4.345。

3.温度区段长度

建（构）筑物为了解决温度应力问题，设计上一般设置伸缩缝将结构分为若干独立单元。冶金原料场封闭结构一般需要进行温度区段的划分，对同一料条布置多段网壳结构对其进行封闭。即使设置了伸缩缝，网壳结构设计一般仍要计算温度作用，若温度区段过长，温度作用参与组合会对局部杆件的内力起控制作用，杆件内力的增加甚至导致最大螺栓或套筒不能满足要求，需配置焊接球节点，给施工安装和施工质量控制带来不便。

某工程混匀料场网壳结构跨度约105m，沿料场长度分为2段175m和1段190m长网壳结构。经计算，在网壳两端局部杆件内力较大需配置焊接球，如图3圈出部分所示。计算内力结果表明，温度参与组合的内力起控制作用，345钢套筒不能满足要求，需配置焊接球。某矿石料场网壳结构跨度约143m，沿料场长度分为2段175m和1段190m长网壳结构，采用相同的温度区间长度，根据计算温度作用产生的内力小于105m跨的结构。可见，纵向长度相同，跨度不同的网壳结构，温度效应引起的结构内力存在一定差异。

从上述结构的计算对比可以发现，相同温度区段长度，在长跨比不同的情况下，温度作用效应存在一定差异。温度区间长度的划分可以引入结构长跨比这个参数，采用长度和长跨比两个指标进行温度区段长度的划分。相同温度区段长度的结构，跨度大的结构适应温度变形能力要强。

4、支承方式

网壳结构支承的布置有上弦支承、下弦支承、双排支承三种形式[5]。双排支承适应变形能力较差且对基础要求高，一般较少被采用。上弦支承和下弦支承在工程中应用较多，湛江某矿石料场网壳结构采用的上弦支承，邯郸某矿石料场网壳结构采用的下弦支承。下表1为某柱面网壳三种支承方式下各项受力性能的比较。

单纯从控制杆件内力角度出发，宜选择上弦支承，而网壳支承方式的选取还需要根据工程实际情况综合考虑。如邯郸某矿石料场长540m，两端设置落地山墙。根据计算，网壳结构厚度取3.5m可满足要求，但该料场为改造工程，场地受限，实际选择下弦支承更具备现实条件。

湛江某矿石料场长595m，沿料场长度方向设置的4道变形缝将结构分为5段，中间三段网壳结构厚度取3.6m，两端网壳厚度取4.4m能够满足要求。因为中间网壳与端部网壳厚度不同，如保持基础的一致性而采用下弦支承，屋面将出现不等高，封闭屋面困难，只能采用上弦支承保持屋面的一致性。

从以上列举的工程实例可以发现，冶金原料场超长的特点，决定了封闭原料场结构除了按一般网壳结构考虑场地大小、支座受力、地基基础承载力这些因素外，还需要结合各段网壳的实际受力情况，根据各段网壳厚度的异同选择合适的支承方式。

5、山墙结构选型

对料场结构端部进行封闭可以采用网架(网壳)结构和平面桁架结构。山墙采用网架（网壳）结构封闭，结构整体计算方便，节点构造简单，但杆件布置受开孔影响较大。山墙采用平面桁架结构，具有布置灵活，开孔调整方便的优点，山墙构件与主体结构的连接节点构造较复杂。如图4所示料场结构山墙采用桁架进行封闭，效果较好。

由于冶金原料场多有胶带机通廊出入，开设的孔洞破坏了结构的连续性，影响结构受力，尤其是高位通廊和地面通廊或门洞同时开孔。如图5所示的某料场山墙，采用网架结构封闭，高位开孔和地面开孔错位布置。计算表明，图5圈出部分结构具有明显的桁架受力特点，若采用网架结构，圈出部分杆件内力很大，出现大量焊接球，施工复杂。

6、结构优化设计

进行结构优化设计是适应市场所需，也是追求技术进步所需。上述提到的湛江某工程端部网壳结构，风向变化对其风压影响很大，斜向来风尤其是30°风向角作用，风压系数较中间段要大，采用中间段结构参数已不能满足要求。在不改变网壳上弦曲线的前提下，通过两条途径进行优化。（1）调整网壳厚度；（2）在两侧落地支座间布置斜向弦杆，如图6。通过途径（1）解决杆件内力不足的问题，但会出现较大部分的焊接球，这既给屋面檩条布置带来不便（其它均为螺栓球），也会增加施工难度；采用途径（2）弥补了前述不足，它将使网壳上弦杆传力更直接，将原先由空腹桁架传力改为直接传力至基础。

邯郸某矿石料场跨度大（净跨143m），场地受限是它的特点。按普通单跨网壳设计，矢高约56m，厚度约5m。设计根据工艺设备运行轮廓尺寸绘制出满足功能要求的网壳结构外形，利用临近构筑物-中间挡料墙，设置2道中间支承柱，在网壳两侧落地处构造一节垂直段形成五心圆柱面网壳结构，网壳结构矢高40.15m，厚度3.5m，如图7。结构能够满足功能要求，取得了较好的效果。

某沿海工程煤场结构跨度95.2m，根据工艺设备运行要求，矢高需要45m，基本风压达到0.89kN/m2。结构主体轮廓线接近半圆，基本不能发挥三心圆柱面的经济优势，较大的矢高还增大了结构的沿风面，致使风荷载引起的结构内力俱增。设计根据圆柱面网壳结构的内力分布特点，采用变厚度网壳结构，在受力较大部位增加网壳厚度，局部加厚区4.5m，其它区厚3.7m，结构断面如图8。

以上结合具体的工程实践，根据各工程的实际情况，采取一些有针对性的优化措施，取得了一定的效果。实际工程的特殊性让我们无法找到一种通用的优化设计方法来解决所有的问题，只能具体问题具体分析，通过技术积累和创新，采取行之有效的优化措施。

7、结语

冶金行业原料场堆载物料多为矿石、煤、副原料等原燃料或混匀料，不仅规模大，堆载荷重也很大，采用的封闭结构不仅要具有良好的跨越能力，还要结合工艺流程兼顾低位或高位物料的传送，考虑堆载对基础影响等。本文结合几项具体的实际工程，对冶金原料场大跨度网壳结构的设计进行简要论述，供同类工程设计参考。

参考文献：

[1]刘京安唐建设胡朝晖薛尚铃,湛江某原料场网壳结构设计[J].建筑结构,2011.2.

[2]董石磷等，台州电厂干煤棚折线形网状筒壳的选型与结构分析[J].空间结构,1995.11.

[3]单鲁阳，严慧，大跨度双层圆柱面网壳结构的优化分析[J]，建筑结构学报.1999,20.

[4]唐建设，胡朝晖，罗福盛.2x100m双跨网壳结构设计[J].建筑结构,2018.S1.

[5]罗尧治，大跨度储煤结构——设计与施工[M],中国电力出版社,2007.3.