1、第 53 卷 第 13 期2023 年 7 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.13Jul.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20210077 第第一一作作者者:田磊,硕士,高级工程师,从事建筑结构设计与理论研究,Email:tianlei 。大面积堆载作用下港口干煤棚结构设计与研究田 磊1,蔺雪峰2,黄彦军3(1 北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京 100082;2 中交水运规划设计院有限公司,北京 100007;3 北京城建集团有限责任公司,北京 100088)摘要:为研究软弱场地土条件下柱面网壳支座荷载和大面积堆载作用下干煤棚桩
2、基受力与变形特性,通过某工程实例,进行了软弱场地土条件下干煤棚上部结构的内力分析,并对网壳支座荷载和大面积堆载作用下桩身变形进行了理论计算和有限元分析,对结果进行了分析比较。结果表明,按角点法和等效土层厚度法计算的桩顶水平位移接近;软弱土地质情况下规范理论设计方法仅能较好地反映荷载作用下距离桩顶 4/范围内桩身位移的变化,桩承台有限元分析可反映大面积堆载作用下整个桩身变形和受力特性;根据计算得到的桩顶位移可近似换算出上部柱面网壳支座处的水平位移,可以此作为上部网壳支座荷载的设计依据。关键词:干煤棚;软弱土;大面积堆载;桩身变形;桩身受力 中图分类号:TU37 文献标志码:A文章编号:1002-
3、848X(2023)13-0079-08引用本文 田磊,蔺雪峰,黄彦军.大面积堆载作用下港口干煤棚结构设计与研究J.建筑结构,2023,53(13):79-86.TIAN Lei,LIN Xuefeng,HUANG Yanjun Structural design and research on port dry-coal shed under large area surcharge loadJ.Building Structure,2023,53(13):79-86.Structural design and research on port dry-coal shed under lar
4、ge area surcharge load TIAN Lei1,LIN Xuefeng2,HUANG Yanjun3(1 Beijing General Municipal Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100082,China;2 CCCC Water Transportation Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100007,China;3 Beijing Urban Construction Group Co.,Ltd.,Beijing 100088,China)Abstract:
5、In order to study the stress and deformation characteristics of pile foundation of dry-coal shed under the support load of cylindrical latticed shell and large area surcharge load for the geological conditions of soft weak soil,the internal force of upper structure was analyzed basing on the actual
6、engineering example,and the theoretical calculation and finite element analysis of pile deformation under the support load of cylindrical latticed shell and large area surcharge load were carried out and the results were analyzed and compared.The results show that the horizontal displacement of pile
7、 top calculated by corner method are consistent with those by equivalent soil layer thickness method.In the case of geological conditions of soft weak soil,The standard theoretical design method can only reflect the change of pile body displacement within 4/range from the pile top under the action o
8、f load and the finite element analysis can reflect the deformation and mechanical characteristics of the whole pile body under large area surcharge load.According to the calculated displacement of the pile top,the horizontal displacement at the support of the upper structure can be approximately con
9、verted,which can be used as the design basis for the support load of the upper cylindrical latticed shell.Keywords:dry-coal shed;soft weak soil;large area surcharge load;pile deformation;pile force 0前言 近年来,随着经济的迅猛发展,干煤棚作为环保结构形式,在电厂、煤炭码头等领域得到越来越广泛的应用和发展1-4。为满足建设者的功能需求,考虑到港区大面积软土地基建设场地的特殊性,本文结合工程实例,对某
10、港口干煤棚进行上部结构分析,同时进行了柱底荷载和大面积堆载作用下桩身变形理论分析和桩基承台有限元分析。1工程概况 某东南沿海的实际工程,其堆场装卸工艺方案垂直于码头布置三条堆取合一作业线,其中一条作业线采用干煤棚覆盖料垛,另外两条作业线为露天料垛。干煤棚占地面积约 3.9 万 m2,总长度 340m,受建设场地所限,跨度 111m,西侧为露天堆场,东侧为环堆场道路。2结构设计方案干煤棚平面尺寸为 340m111m,共分为四个结建 筑 结 构2023 年图 1 屋面杆件布置图构单 元,结 构 单 元 尺 寸 为 111m 77.5m、111m 85.25m,如图 1 所示,结构高度 48.7m。
11、轴所在端设山墙,另一端轴开敞。如图 2 所示,干煤棚下部设排架柱,柱高 4.0m。堆取料机外伸臂长 42m,单个料垛宽度 41.5m,堆料高度最大 14m。干煤棚上部结构采用双层正放四角锥三心圆柱面网壳结构形式5-6,网格尺寸为 4.0m3.875m,厚 4.0m。山墙结构采用空间网架结构,与柱面网壳系统形成整体。图 2 结构剖面图网壳钢管选用高频焊管或无缝钢管,典型截面为 764、894、1275、1808、21912,节点采用空心焊接球节点,焊接球直径为 300450mm,焊接空心球节点设计应考虑大气腐蚀环境对节点承载力的影响7,檩条采用冷弯热镀锌薄壁矩形管,主檩条截面为口 1801005
12、、次檩条截面为口120804,钢材均采用 Q345B。屋面围护结构采用蓝色压型钢板与聚碳酸酯采光板(PC 耐力板)间隔布置。支承形式采用上弦支承,支座采用固定铰支座。采用钢筋混凝土柱支承上部柱面网壳,桩基础采用 冲 孔 灌 注 桩+承 台 基 础,桩 径 800mm 和1 000mm,桩长 2451m。大跨干煤棚结构施工方案对保证网壳结构施工质量起着至关重要的作用,结构设计时应结合工程特点进行必要的钢结构施工模拟仿真分析与施工技术研究,加强施工期间全过程监测8。3上部结构设计3.1 主要设计参数 干煤棚结构安全等级为二级,抗震设防类别为丙类,结构重要性系数 1.0,地基基础设计等级为乙级。结构
13、设计时,考虑了恒载、活载、风荷载、地震作用及温度变化等荷载作用及各种荷载组合。上弦层围护结构恒载为 0.35kN/m2,下弦层吊挂恒载为 0.1kN/m2,活载为 0.5kN/m2。场地基本风压为 0.80kN/m2,地面粗糙度 A 类9-10,等效风荷载按风洞试验结果取值。建设场地抗震设防烈度为 6 度,设计地震分组第一组,设计地震加速度为0.05g,场地类别为类。考虑主体结构施工周期的季节跨越,钢结构合拢温度取 13.226.8,干煤棚使用期间温度作用标准值为24。3.2 上部结构分析 干煤棚三个结构单元为两边支承柱面网壳,另一个为带山墙的三边支承柱面网壳,结构构件布置如图 3 所示,本文
14、以不利布置的两边支承柱面网壳为研究对象。图 3 干煤棚结构杆件布置图干煤 棚 上 部 结 构 采 用 通 用 有 限 元 软 件SAP2000、STWJ 进行计算,基础采用 JCCAD 软件进行计算。抗震设计时结构计算振型数取 60,X 和 Y 向结构质量参与系数分别为 91%和 94%,均大于 90%,均满足设计要求,前 3 阶振型自振周期如表 1 所示。08第 53 卷 第 13 期田 磊,等.大面积堆载作用下港口干煤棚结构设计与研究图 4 恒载作用下变形/mm图 5 活载作用下变形/mm图 6 结构最大应力比表 1 前 3 阶振型结构自振周期振型123自振周期/s1.0571.0330.
15、842恒载和活载作用下结构的变形如图 4 和图 5 所示,其中变形向下为正,向上为负。最不利荷载组合下,结构最大应力比如图 6 所示。恒载与活载作用下网壳最大挠度 67.2mm,小于规范规定的 L/250(444mm,L 为网壳短向跨度);结构最大应力比0.822.4m。其中,ph为单桩对土提供的极限抗力,pr为单桩侧向土压力,Cd为桩阻滑系数,P0为28第 53 卷 第 13 期田 磊,等.大面积堆载作用下港口干煤棚结构设计与研究图 11 桩受荷宽度示意图桩长 4/处静止侧压力,c为桩长 4/处压应力,d为桩径。当 lmax2.4m,侧压力作用宽度 B=7.9+2.4=10.3m,单桩承受的
16、总侧压力 Pq=PZB/n=33.6 6.4 10.3/5=443.0kN。在桩顶向下 4/范围内,根据角点法和等效土层厚度法计算得到的桩身侧压力简图如图 12 所示。大面积堆载作用下,同一桩身位置两种方法得到的最大侧压力比较接近,偏于安全,同时考虑到简化计算,本文以等效土层厚度法的计算结果作为桩基位移计算的依据。(2)桩基水平位移1)按桩顶自由转动计算根据等效土层厚度法,大面积堆载作用于桩身,将使桩身产生弯矩、剪力和水平位移,桩身内力计算简图如图 13 所示。桩顶剪力 H0k=443kN、弯矩 M0k=3466.42/10=1 417.2kN m 作用下,桩基水平位移可由 m 值法计算得到,结果如图 14 所示。不考虑桩基与承台协调作用,柱底荷载作用下 5桩承台桩顶水平位移为 1.709mm;考虑桩基与承台协调作用,柱底荷载作用下 5 桩承台桩顶水平位移为0.490mm;大面积堆载作用下 5 桩承台桩顶水平位移图 12 桩身侧压力简图图 13 桩身内力计算简图为 19.047mm。不考虑桩基与承台协调作用,柱底荷载作用下 6 桩 承 台 桩 顶 水 平 位 移0.901mm;考虑桩基
