某大跨网壳干煤棚地基基础及地上砼结构部分设计

[摘要]发电厂干煤棚采用大跨空间网壳结构，通过对上部结构受力工况和传给基础支座荷载的准确分析，全面掌握荷载的特点，采用桩基础设计，理清设计思路和要点，有效地解决了地基基础设计的承载力和沉降控制问题。

[关键词]干煤棚；大跨空间网壳；地基基础；桩基础

中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：

1工程概述

某电厂位于山东省东营市。现有煤场位于厂区内西南角，由南向北被2个斗轮机分割为：南、中、北三部分。储煤场为2座斗轮机条形煤场，共存煤约20.64万吨，煤场设备为2台悬臂斗轮堆取料机。本工程为对现有煤场的封闭改造。总用地面积约6.2万平方米，单层，大跨网壳结构，建筑面积：56700.27平方米。±0.000标高相当于绝对高程5.700，室内外高差0.200。屋面板至高点控制标高58.042。建筑平面布局见（图1）

图1建筑平面图

2上部网壳结构概述

干煤棚采用全封闭空间网壳结构形式(正放四角锥三心圆柱面双层网壳），节点采用螺栓球与局部焊接球的连接形式。网壳支撑采用周边落地处上弦球与中部10个格构柱相结合的支撑形式，中柱外设“混凝土剪力墙保护筒” （简称砼筒），砼筒标高为14米。网壳为全封闭，网壳厚度为4620mm，基本网格尺寸为4500x4500mm。网壳跨度南跨为125米，北跨为86.7米，东西纵向长度约为265.4米。（图2）

图2上部网壳三维结构图

3钢筋砼上部结构设计

基础以上钢筋砼结构设计有两部分：网壳内部保护格构柱的“砼筒”；支撑网壳周边落地螺栓球的钢筋砼短柱。砼筒-0.800~2.000米、2.000~8.000米、8.000~14.000米墙厚分别取400mm、350mm、300mm。在煤堆荷载及上部结构传递荷载的作用下，14米高砼筒的受力复杂；分四种工况分析，分别是：煤堆单侧推筒、煤堆两侧直角推筒、煤堆三侧推筒、煤堆四侧推筒，其中以“煤堆两侧直角推筒” 受力为最不利（图3）。砼筒的地基基础设计亦考虑以上四种工况。为保证抗倾覆安全，筒体下需做筏板，筏板边伸出筒体外边2.1米，借用煤堆自重增大抗倾覆力矩。

图3.1四侧土推力作用下的变形 图3.2两侧土直角推力作用下的变形

图3.3 两侧土对推作用墙壳位移云图（mm）

4基础方案选择及支座荷载分析

场地北侧为厂区架空管道，场地受限，应采用桩基础。煤堆高12米，现场地面堆载较大，北侧、中部、南侧受堆载影响差异较大，采用桩基有利于承载、控制变形和抗震，整体选用桩基础最为合适。本工程采用长螺旋钻孔压灌桩。

上部网壳钢结构在浙江大学采用风洞试验进行抗风分析。共考虑0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共八个方向的风荷载。根据上部结构传至基础荷载的特点，将地基基础设计分为七大类，分别是：中部格构柱下桩筏基础、北侧支座、南侧支座、西侧支座、东侧支座，角部支座，特殊位置点支座。

由于整体结构的大拱效应，在恒、活工况下周边支座荷载是外推力和重力，在网壳周边点均有此规律，且垂直于拱推力方向的水平力均较小，不起控制作用，可忽略。在八个方向风荷载作用下，周边支座荷载是内推力和上拔力，风荷载是风吸力，风荷载作用下支座力效应与恒、活自然态效应反向，风效应有改变自然态的趋势。温+25°和温-25°工况作用下，支座荷载效应大小相等，方向相反。以4841点为例，升温工况结构膨胀，外推支座；降温工况结构收缩，内拉支座。升降温对东西南北支座作用效应较小，普遍来看，对中部格构柱柱脚支座和转交点支座作用效应较大。据《建筑抗震设计规范》、《空间网格结构技术规程》，应进行抗震验算，地基基础部分亦进行抗震设计。

5桩基设计

上部钢网架传递给基础的水平力较大，中部砼筒受煤推力作用导致桩基水平荷载较大；水平承载力设计是突出问题。由于场地地基土较软弱，地面堆载较大，桩基的竖向变形也是关键问题。

5.1桩基承载力设计

网架南北跨比较，北跨跨度较小、刚度较大，南跨跨度较大、刚度较小，导致中部位置格构柱四角中北边两颗柱受压较大，南边两颗柱受拉明显，竖向荷载显著偏心。中部12米高煤堆按180Kn/m2荷载计算。中部砼筒采用桩筏基础，纵横6X6共计36颗桩。据《建筑桩基技术规范》第5.1.1条~5.1.3条，竖向荷载最大标准值为950Kn，桩基水平荷载标准值为150Kn。桩径取600mm，桩长20米，单桩竖向抗压承载力特征值约为1000 Kn，单桩水平承载力特征值为300 Kn。据《桩规》5.4.2条~5.4.4条，筒下桩基的竖向承载力考虑负摩阻力。

北侧采用向南侧偏心的三桩承台，南侧的桩在荷载组合下出现拉力。承台下基桩水平荷载标准值为250Kn，竖向荷载标准值最大为500 Kn，最小为-140 Kn。桩径取600mm，桩长15米，单桩竖向抗压承载力特征值约为750 Kn，单桩水平承载力特征值为300 Kn。据《桩规》5.4.2条，承台下桩基的竖向承载力应考虑负摩阻力荷载，考虑到内侧桩受拉可与负摩阻力荷载相抵消，故未采用刚性排桩进行隔离的措施。受到大跨上部结构拱水平外推力作用，南、西、东侧桩基受力有相似性，均采用外偏心的三桩承台，三桩均受压，未见拉力。角部桩基受力有别于北、南、东、西侧受力，X、Y双向受水平力较大，采用四桩承台。为满足水平承载力需要，桩与承台按刚性连接设计。

5.2桩基沉降设计

南、西、东侧周边位置基础沉降只需考虑桩端土层的压缩，中间砼筒下桩筏基础和北侧桩基还应考虑负摩阻力对桩基沉降的影响。据业主介绍，该煤场堆载使用约有二十多年，结合地质勘查报告，我们判断场地土层已完成部分固结沉降，对沉降设计有利。为有效控制沉降，在满足承载力要求的前提下，适当加大桩长。经验算，筒下桩筏桩基平均沉降约4公分，差异沉降约1公分；北、南、西、东侧桩基沉降约3公分；均满足规范要求。

6结语

本工程上部网壳结构是大跨度空间结构，属于非常规结构，其基础设计可借鉴的实例、经验少，但通过完整的概念分析，可以找到设计思路，抓住需要考虑的问题和要点；通过设计的各个阶段，可以逐渐深化对问题的认识；通过深入的学习、理解、准确运用规范，可以找到解决问题的方法。

参考文献

[ 1 ] GB50009—2012建筑结构荷载规范[S].中国建筑工业出版社，2012.

[ 2 ] GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].中国建筑工业出版社，2010.

[ 3 ] GB50007—2011建筑地基基础设计规范[S].中国建筑工业出版社，2011.

[ 4 ] JGJ94—2008建筑桩基技术规范[S].中国建筑工业出版社，2008.