大跨度封闭式料场建筑结构研究与实践-word版 - 图文

大跨度封闭式料场建筑结构研究与实践

1前言

大跨度封闭式料场可以实现原料的全封闭式储存和运输，能够彻底杜绝料场扬尘现象，有效减少对周边环境的污染。北京首钢国际工程技术有限公司工业建筑事业部结合自身在钢铁企业原料场工程设计领域的技术优势，积累了大跨度料场封闭设计的丰富经验，能够提供网架、三心圆网壳、预应力钢网格及预应力管桁架等大跨度料场封闭技术服务。在满足工艺要求下，设计成品具有能充分利用场地空间、经济指标优越、结构外立面美观、结构安装施工快捷等显著特点，达到了“安全、合理、先进、经济”的设计原则。

2大跨度封闭料场的建筑设计 2.1 封闭料场的屋面

封闭料场结构屋面板一般宜选用具有轻质、高强、耐久，及防水等性能的压型钢板，但对保温、隔声等性能并不做要求，同时要求材料构造简单，施工方便，并能工业化生产。压型钢板基层为热镀锌钢板、镀铝锌彩色压型钢板或彩色镀锌钢板，经过辊压冷弯成各种波形，具有轻质、高强、美观、耐用、施工简便、抗震、防火等特点。彩色涂层压型钢板的基材和涂层技术要求应符合GB/T12754-2006《彩色涂层钢板及钢带》标准的规定，其中涂层用的油漆主要有聚酯漆、改良型聚酯漆和氟碳漆等。此外，干煤棚的屋面采光带一般采用玻璃纤维聚氨酯阻燃型采光带。

近年来，膜材逐步在料场封闭中取代彩钢板，是广泛应用的一种维护结构。膜材具有强度高、柔性好、使用年限长、轻便安全、透光性适中、自洁性好的特性，对于有毒及挥发性存料的料场，是唯一的维护结构选择。常用材料主要是PVC、PVF和PTFE等膜材。

2.2 封闭料场采光

采光可分为人工采光和自然采光。人工采光一般在料场内设置灯具；自然采光可以采用屋面采光带，即屋面上铺设可以透光的采光板进行采光。一般料场自然环境较差，灰尘大，因此采光带一般容易积灰，进而影响采光效果，因此在选择采光带时应注意采光带的自洁性，如有需要可设置马道，以便于定期清理。此外采光带可设置在料棚高度20m以下，以便于清洗。对于采用膜结构作为维护结构的封闭料场，白天基本不用灯具采光。

2.3 封闭料场通风

建筑通风分为自然通风和机械通风。由于一般的封闭料场内没有大的热源，料场内操作

人员也比较少，因此对通风没有太高的要求，适当设置进风口就能满足厂房内通风换气的要求。所以目前料场常用的方法是采用自然通风。屋顶布置通风器、天窗或者在煤棚挡煤墙上方设置通风百叶，通过料棚底部缝隙进风，依靠空气的热压从屋顶天窗、通风器排风，形成上下通风路径，使得料棚内通风顺畅。

2.3 封闭料场排水

一般的料场排水方式分为无组织排水和有组织排水。独立的封闭料场一般采用无组织排水。如做双连跨网壳，一般采用有组织排水，这时排水通过内天沟汇集后，经过排水管排到室内排水沟，并通过室内排水沟排出室外并进入室外的雨排水系统。

3大跨度封闭料场的结构选型

大跨度料场封闭主要结构形式有：1）三心圆网壳结构；2）预应力管桁架结构。

3.1 三心圆网壳结构

150m以下的大跨度料场封闭常采用三心圆网壳结构，具有如下特点：

1．受力合理。以往常采用三铰拱等平面结构代之以空间受力的网壳结构，采用三心圆柱面网壳后，用钢量明显减少。

2．结构刚度大。三心圆柱面网壳结构不仅具有空间结构刚度大的优点，而且，采用双层结构可以避免出现整体稳定问题。

3．施工方便。虽然结构跨度大，但是一般仍可采用螺栓球节点连接，另外，合理的形体和网格划分可以使杆件种类很少，下部结构处理也比较简单。

4．可以减少下部结构的水平推力。

3.2预应力管桁架结构

对于150m以上的大跨度料场封闭通常采用预应力管桁架结构。预应力管桁架的基本受力理论来自张弦梁结构，其基本原理是将上弦抗弯刚度较大的刚性受压构件通过撑杆与下弦高强度拉索组合在一起，形成自平衡的受力体系。其可等效为利用高强度拉索替换常规桁架结构中受拉下弦而形成的结构体系。这样不仅充分利用了拉索的高强度性能，而且还可以通过带预应力的拉索来改善结构的受力性能。预应力管桁架结构受力见图1。因此，预应力管桁架具有以下特点：

图1 预应力管桁架结构受力简图

1、承载能力高。预应力管桁架结构中索内施加的预应力及撑杆可以能消减上部管桁架中的弯矩幅值，减小刚性构件的弯矩大小和分布；

2、使用荷载作用下的结构变形小。预应力管桁架结构中的刚性构件与索形成的受力体系，这一空间受力结构的刚度就远远大于单纯刚性构件的刚度，在同样的使用荷载作用下，张弦梁结构的变形比单纯刚性构件小得；

3、自平衡功能。当刚性构件为拱时，将在支座处产生很大的水平推力。索的引入可以平衡侧向力，从而减少对下部结构抗侧性能的要求，并使支座受力明确，易于设计与制作； 4、结构稳定性强。张弦梁结构在保证充分发挥索的抗拉性能的同时，由于引进了具有抗压和抗弯能力的刚性构件而使体系的刚度和形状稳定性大为增强。

4大跨度封闭料场结构设计关键技术

网壳结构、预应力管桁架结构等超大跨结构对地震作用及风荷载都比较敏感，因此研究和计算地震及风荷载作用下的结构响应是此类料场设计的关键。

北京首钢国际工程技术有限公司工业建筑事业部对大跨度结构地震输入方式进行深入研究，按多点激励的输入方式进行结构的地震响应分析，为大跨度结构在料场封闭中的抗震设计提供科学依据。针对不同的工程进行风洞实验及计算流体力学（CFD）的数值模拟计算，见图2、图3。通过多个工程的CFD计算结果与风洞试验结果的比较，工业建筑事业部在大跨度料场数值风洞模拟上，积累了丰富的设计经验。

图2 某料场封闭风洞实验 图3 某料场封闭CFD数值模拟

5典型工程实例

结合自身在钢铁企业原料场工程设计领域的技术优势和经验积累，工业建筑事业部积累了大跨度料场封闭设计的丰富经验，能够提供网架、三心圆网壳及预应力管桁架等大跨度料场封闭技术服务。公司先后完成了迁钢原料系统喷吹煤料场干煤棚、首钢京唐公司石灰料场封闭、首钢热脱附土壤修复工程气膜大棚结构、长治瑞达工业园焦化干煤棚、北京首钢股份有限公司球团矿粉料场封闭、首钢京唐公司能源部煤场封闭工程等十余项工程。

5.1三心圆网壳结构

工程实例一：山西长治市瑞达工业园区焦化项目干煤棚结构

该结构采用双层三心圆网壳结构，横向跨度为145m，纵向长200m。长治地区抗震设防烈度7度（0.1g），Ⅲ类场地，地震分组第二组，场地设计特征周期为0.55s。风荷载：基本风压：0.50kN/m2 ，地面粗糙度：B类。基本雪压：0.35kN/m2。结构网壳高47.760m，网壳厚度3.871m，网格尺寸4.325mｘ4.325m。经计算得到干煤棚网壳杆件规格：φ75.5×4、φ88.5×4、φ114×4、φ114×4.5、φ159×10、φ180×12、φ219×12、φ219×14，杆件采用Q345-B钢。为控制结构跨中挠度，提高整体刚度，网壳采用上下弦支承。为避免温度应力，结构沿纵向每隔99.5m设置一道温度伸缩缝。维护结构采用钢结构单层彩板及玻璃钢采光带。该工程委托北京交通大学风洞实验室做了缩尺比为1：200的风洞实验。本工程已于2016年10月投入使用，见图4、图5。

图4 长治干煤棚投产后照片一 图5 长治干煤棚投产后照片二

工程实例二：首钢京唐公司能源部煤厂封闭工程

项目位于河北唐山曹妃甸工业园区，地貌类别：A类，基本风压为0.45KN/m2（重现期为100年）；该工程为改造工程，原煤场采用防尘网，此次封闭采用双层三心圆双层柱面网壳结构，结构尺寸见表1.

表1 建筑物封闭轴线面积和投影面积表

建、构筑物 长度/m 名称 能源部煤料场 283 136 约45.300 净跨度/m 檐高/m 度/m 144.880 筑面积/m2 41921 建筑投影跨封闭投影建该结构两侧山墙均封闭，网格尺寸4.5mX4.5m。网壳采用下弦支撑，经计算得到干煤棚网壳杆件规格：φ75.5×4、φ88.5×4、φ114×4、φ114×4.5、φ159×10、φ180×12、φ219×12、φ219×14。钢结构主材采用Q345-B钢。维护结构采用钢结构单层彩板及玻璃钢采光带。车间屋脊处设置通长通风口，喉口约8m，屋面采用无组织排水。该工程委托石家庄铁道大学风洞实验室做了缩尺比为1：150的风洞实验。2018年4月20日竣工，见图6、图7。

图6 京唐能源部煤厂现场照片

图7 京唐能源部煤厂封闭工程

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