[分享]曹正罡:大跨度预应力钢结构干煤棚设计与施工

发表于2019-07-16    1144人浏览    4人跟帖    总热度:694  


2019年5月10-12日中国钢结构协会空间结构分会第七届会员代表大会暨第十六届技术交流会在北京胜利召开。本次大会结合北京新机场航站楼及机库工程的建设,对空间结构领域的科研、设计、制作、安装以及管理等方面的发展及最新成果进行了广泛深入的交流。空间结构系列图书《充气膜结构设计与施工技术指南》《建筑索结构节点设计技术指南》《大跨度预应力钢结构干煤棚设计与施工》在本次会议上正式发布。本栏目拟对分会理事长、北京工业大学薛素铎教授,分会前理事长、北京工业大学张毅刚教授,哈尔滨工业大学博士生导师曹正罡教授等对充气膜结构、索结构、大跨预应力钢结构干煤棚等在设计与施工中的相关技术进行解读。

曹正罡
哈尔滨工业大学博士生导师、兼任哈尔滨工业大学建筑设计研究院副总工程师,中国建筑学会建筑结构分会理事,中国钢协空间结构专家委员会委员,建筑索结构专业委员会委员,钢结构质量与安全鉴定专业委员会委员。2007年师从中国工程院院士沈世钊教授获得博士学位,多年来一直从事大跨空间结构静动力稳定性、高层结构抗震、新型结构体系等领域的理论与工程实践研究。成果被国家技术标准《网壳结构技术规程》(JGJ61-2003)及《空间网格结构技术规程》(JGJ7-2010),《装配式钢结构建筑技术规范》,《铸钢结构技术规程》收录并任上述规范标准编委。近年出版专著《大跨度预应力干煤棚设计与施工》,《网壳结构弹塑性稳定性》2部,《高层与大跨空间结构施工》教材一部、译著《建筑风洞实验指南》一部,近五年来在本领域期刊发表论文60余篇,论文被SCI/EI收录30余篇,发明专利7项;主持2项国家自然科学面上基金、2项国家重点研发计划等多项高水平研究课题。
主持重大工程实践项目设计有大连市体育中心,大庆奥林匹克体育中心、锦州滨海体育中心,第十二届全运会、十三、四届冬运会场馆等,获建筑学会优秀建筑结构设计金奖(中国建筑结构设计最高奖)1项,银奖1项,钢协空间结构协会设计金奖3项,银奖1项。
主持煤料场封闭项目设计有国电宁夏方家庄电厂2×1000MW机组工程封闭煤棚(跨度229米),焦作丹河电厂异地扩建2×1000MW机组上大压小工程封闭煤棚(跨度219米),内蒙古托克托发电厂一期储煤场封闭改造总承包工程封闭煤场(跨度185米),内蒙古托克托发电厂三期储煤场封闭改造总承包工程封闭煤场(跨度181米),大唐环境阳城国际发电有限公司输煤A、B系统煤场封闭(跨度169米)。
2014年获中国建筑工程总公司科学技术一等奖;2016年获国家科学技术进步二等奖。

干煤棚结构发展趋势与特点
干煤棚主要功能是大体量煤炭的储存库房,具有一定的储存和作业空间,满足一定的净空要求,是一项节能和环保工程。优点有:1)防止下雨时煤炭受淋,受潮;2)防止刮风时污染环境;3)减少煤粉扬尘等煤炭的损耗;4)避免阳光直晒引起煤粉自燃;5)防止硫化物扩散等。有效使用空间截面形状是梯形,作业空间的包络线接近弧形。
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20世纪初,封闭储煤结构广泛采用砖石结构、木结构及混凝土结构。随着工业的持续发展,筒仓曾成为主要的储煤方式。
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上世纪80年代-平板网架、防风抑尘网(延续至今)
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a)镀铝锌网板
特点:耐腐蚀,适合沿海气候,是现在的主流网板用材。
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b)喷塑钢板
特点:造价低,不耐腐蚀,喷塑层易脱落,后期维护费用高。
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c)玻璃树脂板
特点:适合内河港气候
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d)纤维针织网
特点:易积尘,在大风下易撕裂变形。
上世纪80年代-大跨度木结构干煤棚
国内目前最大跨度的胶合木煤棚结构——四川江油电厂88米干煤棚建成至今,30年的时间,依旧巍然屹立,风姿仍在,气势磅礴。
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本世纪初-至今:大跨度螺栓球球面网壳结构干煤棚、跨度螺栓球柱面网壳结构干煤棚
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大跨度铝合金网壳结构干煤棚
新疆烟墩物流园储煤仓,直径60m,2013年;曹妃甸数字化煤炭仓储基地原煤储存仓库,直径125m。
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大跨度充气膜结构干煤棚
利用气膜内的内外压力差,抵抗自重和风雪荷载,全封闭;膜材就有透光性、煤棚内部采光效果较好;气膜结构现场施工效率高,工期短,经济性较好;气膜结构不能采用过高压力差,刚度较弱,在风雪荷载作用下变形较大,因此普遍跨度在80-120米。
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超大跨预应力张弦桁架结构干煤棚
插入一根柱子约损失1.4~1.5万立米的储煤量。堆取料机的效率会下降20%~40%。中柱需要做特殊防护处理,防止煤压或者腐蚀,以及车式装卸设备的碰撞。
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超大跨预应力张弦桁架结构干煤棚
自平衡的索拱受力体系,自重较轻,可以跨越很大空间,新体系、新材料相结合的大跨度预应力空间结构体系;拉索能起到平衡作用,抵消部分推力,减小下部基础的设计难度;跨度大,高度大,覆盖面积大,增加储煤量、能耗比更优。
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超大跨预应力张弦桁架结构干煤棚—骨架膜
屋面材料也可采用膜结构,可以减轻自重,并利用膜材料自身的透光性采光;屋面覆膜材料的支承间距大,张弦桁架榀距可以达到25-30米,有效降低桁架和檩条用钢量,减少现场拼装榀数,提高施工效率。膜结构安装快捷,可缩短工期
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大跨度预应力管桁架结构干煤棚-近5年部分工程项目
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大跨度干煤棚领域存在的主要问题
典型设计与施工缺陷、其他技术问题
失稳倒塌破坏,连跨积雪、积水冲击,积雪破坏,风致破坏,支座不均匀沉降,煤压破坏,煤粉自燃,吊装破坏,漆膜破坏,材料不合格,设计缺陷,管材壁厚偏差。
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《结构用直缝埋弧焊接钢管》GB/T30063-2013偏差要求
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《直缝电焊钢管》GB/T 13793-2016偏差要求
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规范协调:电力行业系统与民用建筑系统各自独立,行业标准相互借鉴但又相互独立;
超限问题:现有大量储料封闭结构跨度超过120m,但真正按照超限审查要点执行的不多,普遍存在超长,超大,防火分区超限。
荷载取值:1)活荷载取值:电力行业标准:干煤棚轻质金属屋面,取0.3kN/m2。
钢结构设计标准:仅有一个活荷载时,取0.3kN/m2。
2)风荷载复杂:封闭、半封闭、局部开洞、堆煤、不堆煤状况。
EPC一体化:追求利润最大化,结构设计与施工质量堪忧。
运营监测:缺乏长期对运营环境、结构受力、变形等响应的检测、监测;
预应力钢结构干煤棚主要形式与特点
预应力拱形桁架结构-张弦梁、张弦桁架-演化
采用近似三心圆拱桁架+预应力钢拉索的组合形式,跨越能力强,经济性好;预应力拉索通过撑杆对主体桁架提供较大竖向刚度并起到抗风作用;
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预应力钢结构干煤棚
主要形式(一)
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大唐托克托发电厂五期煤场封闭(2017)
钦州电厂二期煤场封闭(2015)
主要形式(二)
华电土右电厂煤场封闭(2015)
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国电方家庄电厂煤场封闭(2017)
主要形式(三)—拱形预应力张弦网壳结构
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河南新乡豫新电厂干煤棚(2003年)
主要形式(四)—门形预应力张弦桁架
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中电投朝阳燕山湖发电厂干煤棚(2011年)
主要形式(五)--预应力上拱索拱形桁架
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中电投长春东南热电厂干煤棚
主要形式(六)--桅杆斜拉+张弦桁架结构
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河西电厂干煤棚结构方案
主要形式(七)--预应力平面双索系统
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大唐国际王滩发电封闭干煤棚方案
屋面采光、通风系统
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屋面排水系统
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室内消防、除尘、监测系统
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大跨度预应力钢结构干煤棚设计方法
主要设计依据
干煤棚的设计主要依据现行的国家标准和规范,同时对于一些无规范可循的设计条件,可以参照专项风洞实验,风振分析,节点实验,超限审查技术要点等文件作为设计依据,同时地方建筑法规和地域设计惯例也是重要的参考。
干煤棚的建造和设计很多都是属于电力系统工程类项目,对于一些特殊要求还需要参照电力行业规范和规程,其中很多涉及干煤棚的条款需要重点考虑。
《火力发电厂土建结构设计技术规定》(DL 5022-2012)
《火力发电厂与变电站设计防火规范》(GB50229-2019)
《电力设施抗震设计规范》(GB 50260-2013)
《火力发电厂建筑设计规程》(DL/T 5094-2012)
主要分析方法
预应力钢结构干煤棚通常定义为零状态、初始态和荷载态。
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结构安全等级
参照《火力发电厂土建结构设计技术规定》建议:大跨度拱形预应力钢结构干煤棚的安全等级可取为二级。
发电厂建(构)筑物的安全等级
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结构体系选型
上弦桁架宜采用多段变截面高度形式,整体符合弯矩图分布。宜尽可能压低建筑高度、下弦索垂跨比接近1/60~0   且距离斗轮机包络线不小于3m。
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预应力拉索、拉杆选择
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干煤棚风荷载特性—分区体型系数
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封闭式落地屋盖
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封闭式拱形屋面
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矩形平面柱面屋盖(报批稿)
现行荷载规范风压分布与风洞实验结果有差异,《屋盖结构风荷载标准》报批稿更为接近实验结果。
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干煤棚风荷载特性—B类地貌,某煤棚屋面极值风压(kN/m2)
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干煤棚风荷载特性---煤堆干扰、封闭开敞、局部破坏影响
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风洞试验模型表
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不同开敞方式的干煤棚外表面风压分布较为接近,内表面差异较大;
开洞口干煤棚内部基本处于负压状态,内压体形系数为-0.1~-0.2;对于外表面负压会抵消,正压会增加。山墙内压体型系数可以达到-0.15~-0.2,整体体型系数则为0.9~1.1或-0.3~-0.4;
堆煤方式对于内压局部有影响,但对总体的风压分布影响较小。
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合力系数:CD为阻力系数, CL为升力系数,0.5
全封闭和全开敞时最不利风向角在60度~75度,半开敞、开洞情况在30度~45度;
不同长宽比储煤仓最不利风向角几乎一致。
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干煤棚风荷载特性—风振系数统计
采用最大动力响应为控制指标的整体风振系数
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分别为静风荷载作用下的响应最大和总风荷载作用下响应最大值,包括位移响应、内力响应和支反力响应
建议采用分区风振系数进行风荷载设计;等效静风荷载应是结构设计师更愿意接受的荷载形式。
所有工况下主体结构风振系数
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干煤棚积雪荷载特性---积雪分布系数
风致积雪研究
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大跨屋盖(>100m)
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拱形屋面
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ASCE规范中拱形屋面
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NBC规范中拱形屋面
干煤棚积雪荷载特性---单跨拱形屋面积雪试验
柱壳积雪在风力作用下分布主要集中在迎风前端与末端,贴近边缘处由于屋面倾角较大,积雪滑落,因此并未产生堆积;
三心圆屋盖中心部分较为平缓,结构两端处的坡度变化较大,屋面积雪区域变大比矢跨比为1/3的柱壳大7%。
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干煤棚积雪荷载特性---M形积雪分布系数
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超长煤棚结构多点激励分析
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大跨煤棚结构抗连续性倒塌分析
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超长煤棚结构温度处理
目前干煤棚长度超过千米级,需要设置温度伸缩缝分割成多段,减小温度应力作用;单段封闭结构长度接近300米,可以采用“抗”和“放”两种温度荷载控制构造措施。
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煤棚结构相贯搭接节点(隐蔽焊缝)
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主要问题:现场隐蔽焊缝通常不焊接居多,地震作用下劣化情况不明,存在隐患。
煤棚结构横向桁架连接系统
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煤棚结构山墙抗风桁架系统
形式(一):山墙桁架与边跨主桁架相贯连接,山墙桁架起到抗风和支承边桁架、支承墙面板作用,边跨桁架为普通钢桁架形式;
形式(二):山墙桁架与边跨主桁架水平连接,竖向释放,山墙桁架仅仅起到抗风和支承墙面板作用,边跨桁架仍为张弦桁架形式。
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煤棚结构屋面有檩体系
采用0.6~0.8mm彩色压型钢板或者是采用膜结构。
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干煤棚结构防火设计
《火力发电厂与变电站设计防火规范》 GB50229-2019-8.1实施
Ø  每座室内储煤场的最大占地面积不应超过5万m2,每个防火区面积不应大于1.2万m2,当防火分区面积大于1.2万m2,分区应设置宽度不小于10米的通道和高度大于煤堆表面高度3米的防火墙。
Ø  储煤表面距离钢结构构件小于或等于3m的钢结构承重构件应采取防火保护措施,而耐火极限不应小于2.5h。
《火力发电厂土建结构设计技术规定》(DL 5022-2012)
Ø  煤场内堆煤包络线外延5m范围内的钢结构应采取防火措施,耐火极限不低于1h。
大跨度预应力钢结构干煤棚施工方法
干煤棚结构施工
1)原位分段拼装、分段吊装
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原位分段吊装施工采用原位拼装→吊装→高空对接→安装纵向桁架→高空分级张拉
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2)累计滑移施工
采用端部拼装→吊装→高空对接→高空张拉
累计滑移→设计过程要考虑挡墙设计→固定支座
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3)整体提升施工
原位拼装→低位对接→提升→低位张拉
檩条安装→多榀整体提升到位→高空多榀多管同时对接
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超大跨预应力钢结构干煤棚工程案例
国电宁东方家庄电厂干煤棚工程-跨度229米
曹正罡:大跨度预应力钢结构干煤棚设计与施工_115
曹正罡:大跨度预应力钢结构干煤棚设计与施工_116
曹正罡:大跨度预应力钢结构干煤棚设计与施工_117
曹正罡:大跨度预应力钢结构干煤棚设计与施工_118
曹正罡:大跨度预应力钢结构干煤棚设计与施工_119
大唐发电托克托一期煤场封闭工程  跨度185米
曹正罡:大跨度预应力钢结构干煤棚设计与施工_120
国家电投焦作丹河电厂煤场封闭工程-跨度219米
曹正罡:大跨度预应力钢结构干煤棚设计与施工_121





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