丁海方1 陈冉2
中煤邯郸设计工程有限责任公司，河北 邯郸 056031)
摘 要：新疆呼图壁县石梯子西沟煤矿二水平延伸及地面设施补套工程储煤场，结构形式上部屋盖结构为大跨度网架结构，下部支撑结构为钢筋混凝土框架结构。具有地形条件复杂、主体屋面结构开大洞等难点。主要介绍了结构设计中的上部结构体系的特点及基础设计中遇到的难点及及解决办法，采用PKPM-PMSAP软件对结构的整体静力及动力性能进行了分析，分析表明结构设计合理，整体刚度较大且分布均匀，满足工艺及受力要求。
关健词：复杂地形、网壳结构
1工程概况
本工程为新疆呼图壁县石梯子西沟煤矿二水平延伸及地面设施补套工程储煤场，储煤场建筑面积16700m2，跨度84.0m，屋盖高度37.00m。网架厚度2.80m，展开长度310m左右，屋盖采用三心圆柱面筒壳网架结构，下部支撑柱采用钢筋混凝土格构式结构，三维模型及效果图见下图。
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图1 三维模型
2 主要结构特点
该项目平面不规则，为保证整个矿井的冬季原煤难以外运时，矿井生产不受影响，储煤量要尽可能的大，因此整个储煤场利用原有的地形条件，并且不能在中部设置支撑柱，基于此屋盖形式选择了跨越能力较强、经济性好的，三心圆柱面网壳结构。屋盖下部支撑柱随着地形条件由南向北逐渐增高，并沿着地形条件向东北方向弯折。
3结构分析及设计
3.1 分析模型
采用PKPM-STWJ网架网壳软件进行屋盖钢结构的设计计算，其中网架杆件采用杆单元进行模拟，支座采用双向平板铰支座。下部支撑结构采用PKPM-PMSAP复杂空间有限元软件进行计算。为准确模拟下部结构与上部屋盖结构的共同作用，将屋盖结构及下部钢筋混凝土结构进行共同作用分析
3.2 荷载作用
荷载工况主要包括恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用和温度作用，各项荷载的取值如下：
恒荷载：自重由程序自动计算；屋面采用单层压型钢板加檩条的围护体系，按0.25kN/m2取值
活荷载：0.5kN/m2与雪荷载均匀分布工况不同时组合考虑，按其较大值考虑。
雪荷载：1.0kN/m2（100年重新期）
风荷载：考虑地形修正系数的影响，体型系数按封闭式拱形屋面结构考虑。
地震作用：考虑水平地震作用及竖向地震作用，所在地区设防烈度为8度，地震基本加速度值为0.20g，场地类别为Ⅱ类场地，特征周期为0.45s，地震分组为第一组。
温度作用：本项目所在地区冬季最低平均工作温度为-23.2度，夏季最高温度为30度，温度分析考虑升温30度，降温考虑到处于室内围护环境按降温20度考虑。
3.3 设计准则
工程结构的安全等级为二级，结构重要性系数为1.0.综合考虑结构的安全性及经济性，结构应力比控制原则为：关键杆件的应力比不大于0.85，一般构件应力比不大于0.9，应力比计算取单独屋盖计算结果与屋盖及下部支撑框架共同分析的包络值。
4 结构静动力性能
4.1 结构静力性能
考虑到本储煤场平面形状复杂，工程所在地区温度变化比较大，同时从网架施工的难度考虑，整个屋盖结构划分为两个结构单元，以减少温度作用对结构的影响。
屋盖结构因现有输煤走廊的影响，需要进行开洞对整体结构刚度影响较大，通过位移云图可以看出恒载+活载组合下竖向最大位移约为-240mm，为结构跨度的1/350，能够满足《空间网格结构技术规程》的规定的限值1/250的要求。
4.2 结构动力性能
4.2.1结构自振特性及整体刚度
结构的动力性能是进行地震反应分析的基础，分析时采用了两个模型进行了对比分析。模型1为不带下部结构的屋盖计算模型 下部结构刚度按悬臂柱刚度导入。共选取了30阶振型进行分析前30阶的计算结果如下：
表1 模型1周期振型
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模型2为带下部钢筋混凝土结构的整体计算模型，选取了120阶振型，有效质量系数在x、y两个方向均满足大于90%的要求，其前四阶振型分别为
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从两个模型的X向地震工况下的振型云图看出，整体结构计算模型顶点水平位移有所增大，“鞭梢效应”明显，同时由于下部结构的影响整体振型明显，模型2比模型1整体刚度大、周期稍小，因此地震反应要大，可见网架的边界约束条件和约束的强弱对网架结构的动力反应有较大的影响。当沿某水平向的约束加强后，沿该方向的水平地震内力也增加,下部结构计算必须考虑屋盖对其的影响。
5设计过程中的难点分析
5.1 上部结构
由于地形原因下部支撑结构，沿储煤场纵向，根据地形条件，支撑柱高度随着地形一直在变化，最高处支撑柱高度29.0m，最低处8.6m，沿短跨方向高度也不一致，因此如果将屋盖单独计算，下部结构刚度难于准确模拟，加之所在地区设防烈度高，地震作用效应明显，采取简化的模拟计算设计对于整体结构来说是不安全的。根据这种情况计算时一定要考虑屋盖及下部结构的整体分析，同时由于筒壳的水平推力，对下部支撑结构的不利影响较大，因此下部支撑结构高度较大的部位，采用双柱格构柱，基础采用桩基础，增大支撑结构的抗侧刚度。对于开洞对网壳的削弱影响，由于本工程为四边支撑的网壳结构，根据网壳结构的受力特点，主要是沿着壳体的薄膜内力，整体结构受弯，所有杆件均为受拉或受压，通过计算分析开洞对网壳受力影响较小。
6结语
本工程所处位置地形地貌复杂为屋盖及下部支撑结构的设计带来诸多难点，在设计阶段，针对这些难点，采取了不同的分析手段，进行了结构地震作用下的整体分析及温度效应分析，通过对各项设计结果的判断分析，采取了合理的加强措施，最终结构的各项设计指标既满足了国家规范的各项要求也满足了现场施工条件要求。
参考文献：
[1] GB50011-2010建筑抗震设计规范（2016年版）[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2010.
[2] GB50017-2017钢结构设计标准[S].北京：中国计划出版社，2018.
[3] JGJ 7-2010 空间网格结构技术规程[S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2012.
作者简介：丁海方（1981-），男，陕西西安人，学士学位，一级注册结构工程师、注册土木工程师（岩土）