随着国内经济发展和环保意识的提高，封闭式干煤棚得到了广泛的普及和应用。同时，随着电力需求的不断增加，大型火力发电厂电站的建设需要跨度大、净空高的干煤棚满足其原煤的存储和作业空间。 中建科工北方大区与北京科技大学校企联合共同开展课题《大跨度干煤棚结构方案选型及施工关键技术研究》。研究团队针对50m~250m跨度的干煤棚结构，通过对比静力性能、用钢量和稳定性
随着国内经济发展和环保意识的提高，封闭式干煤棚得到了广泛的普及和应用。同时，随着电力需求的不断增加，大型火力发电厂电站的建设需要跨度大、净空高的干煤棚满足其原煤的存储和作业空间。
中建科工北方大区与北京科技大学校企联合共同开展课题《大跨度干煤棚结构方案选型及施工关键技术研究》。研究团队针对50m~250m跨度的干煤棚结构，通过对比静力性能、用钢量和稳定性等指标，研究不同结构的特点，为干煤棚的选型提供参考依据。本文将针对不同跨度下结构选型进行介绍。
干煤棚结构需要能满足一定的净空工作，有受力性能稳定、经济指标优越、施工安装方便等要求。目前，可用于干煤棚的结构形式众多，主要的结构形式有网架结构、网壳结构、管桁架结构、预应力拱形结构和充气膜结构等。
对于50m~120m甚至150m跨度的封闭煤场，选用双层网壳结构较为经济，如柱面网壳和球面网壳。常用的柱面网壳有圆柱面网壳或三心圆柱面网壳；网格单元常见的有正放四角锥、斜置正放四角锥和正放抽空四角锥等形式，其中正放四角锥圆柱面网壳受力均匀，使用最为广泛；对于跨度超过150m的干煤棚结构，采用增加预应力拉索的方式与网壳或管桁架结构形成张弦拱体系，可改善结构的受力性能，增加结构刚度，减小杆件峰值内力和下部基础的水平推力；充气膜结构是一种比较新颖的结构，利用气膜内的内外压力差来抵抗自重和风雪荷载。这种结构施工效率高、工期短，但结构刚度较弱，普遍跨度为80~120m。
上述空间结构均能满足干煤棚结构对跨度和高度的要求，但结构的受力性能和技术经济指标等方面有一定的差异。针对不同的跨度和外形需求，可具体选取不同的结构形式。
尺寸50m*75m，矢跨比0.3，矢高15m，厚跨比1/3.3，厚度1.5m。
表1为不同结构形式用钢量对比。抽空正放四角锥能降低20%用钢量，其中用钢量最低的为抽空正放四角锥圆柱面网壳。增加山墙的网壳使得结构总钢量增加。三心圆柱面网壳钢量略大但使用空间要优于圆柱面网壳。结构变形如表2所示，均满足规定要求，三心圆截面的竖向挠度要明显高于圆柱面截面形式。从杆件内力看（表3），除球面网壳外，抽空正放四角锥圆柱面网壳杆件峰值压力最小，而抽空形式的三心圆柱面网壳弦杆峰值压力增加。结构的弹性稳定系数如表4所示，各类型的结构均能满足弹性安全稳定系数要求。
综上所述，当跨度为50m时，采用抽空正放四角锥三心圆柱面兼具经济、安装方便、使用空间大和安全性稳定。
尺寸100m*150m，考虑施加预应力索，矢高取40m，矢跨比0.4，厚跨比0.035，3.5m。
从用钢量看（表5），采用抽空正放四角锥相比正放四角锥结构增加了用钢量。三心圆柱面网壳中，管桁架的用钢量最少。正放四角锥圆柱面网壳用钢量略高，布置两侧山墙或竖直段提高了整体的用钢量。布置下垂索对主体结构用钢量的影响不明显。从刚度上看（表6），各种形式均满足规定要求，增加山墙可提高侧向刚度，水平侧移是柱面网壳中最小。表7为杆件内力峰值和支座反力最大值。跨度较大时，抽空四角锥形式的优势不再突出，会明显增加腹杆压力和弦杆拉力峰值。从稳定性看（表8），除改进型铰接六杆四面体圆柱面网壳外，均能满足稳定要求。
综上所述，100m跨距时采用正放四角锥三心圆柱面网壳或管桁架为宜，两者的受力性能和用钢量较为接近，三心圆柱面网壳的稳定系数要高于管桁架，但两者都能满足规范要求。
尺寸150m*200m，矢跨比0.3，矢高45m，厚跨比0.028，4.2m。
从表9可以看出，当跨度为150m时，正放四角锥三心圆柱面网壳结构的整体用钢量为54.7 kg/m2，布置了下垂索后整体用钢量略有增加。管桁架结构的用钢量低于网壳结构。从刚度看（表 10），各种形式的变形均满足规定要求。未施加预应力的网壳和管桁架变形比较接近。网壳和管桁架增加下垂索后，竖向挠度下降明显。对于增加斜拉索的管桁架，竖向和侧向位移减小。表11为杆件内力和支座反力最大值。三心圆柱面网壳结构的最大弦杆压力超1000KN，需要使用焊接球。布置下垂索能降低峰值压力20%。再增加斜拉索后，杆件内力和支座反力均低于下垂索形式。由表12可以看出，各类结构均能满足稳定性的要求。
综上所述，在跨度为150m时，采用三心圆管桁架-下垂索+斜拉索最为较经济，增加斜拉索能改善结构侧向刚度，但斜拉索减小了内部使用空间，若风荷载影响相对较小可考虑仅布置下垂索。
尺寸 200m*200m，矢跨比 0.25，矢高 50m，厚跨比0.02，4m。
对比不同结构类型用钢量，如表 13。圆柱面网壳用钢量为58.6kg/m2，但三心圆柱面网壳用钢量要高出30%，达到78 kg/m2。在非预应力管桁架结构形式中，矩形截面管桁架用钢量最大，其次是倒三角截面形式。3+4的组合截面形式用钢量最小，为67.6 kg/m2。在施加下垂索情况下，倒三角截面用钢量下降7%。在组合预应力布索方案中，多布置了斜拉索，3+4组合截面形式的用钢量为57.3 kg/m2，比非预应力情况下降了15%。从表14可知，圆柱面网壳的竖向挠度最小。非预应力的网壳和管桁架竖向挠度均超过了500mm，影响正常使用。布置下垂索能降低20%左右的竖向挠度。表15从杆件内力看，网壳的最大腹杆、弦杆内力分别超过1000kN、3000kN。非预应力管桁架腹杆、弦杆内力分别超过2000kN、6639kN。从表16看，各类结构均满足稳定要求。
综上所述，跨度为200m时，可采用3+4的组合截面形式用钢量最小，并且布置下垂索能明显改善内力峰值，若风荷载作用明显，可采用下垂索+斜拉索形式。
尺寸250m*200m，矢跨比0.3，矢高55m，矢厚比0.028，5m。
由表17可知，相比200m跨度，预应力对网壳的用钢量影响不明显。管桁架结构的用钢量有明显的增加，非预应力管桁架已经超过100 kg/m2。从柱距看，15m柱距倒三角截面管桁架用钢量是非预应力管桁架中最低的。布置下垂索能减少20%用钢量。倒三角+下垂索用钢量最低，仅为80.5 kg/m2。表18中，非预应力的网壳和管桁架竖向挠度均超过600mm，影响正常使用。布置下垂索能降低近50%的竖向挠度。从表19可看出，对于3+4组合截面，柱间距大的弦杆峰值内力大，15m比25m柱间距的峰值压力和拉力下降约50%，支座反力下降了38%。布置下垂索降低了50%的峰值压力和70%的峰值拉力，水平支座反力下降了33%。从表20看，各类结构均满足稳定性要求，其中圆柱面网壳稳定系数最大。
综上所述，采用15m柱间距，倒三角截面形式的管桁架-下垂索结构是最为经济的。但从弦杆内力看，组合截面形式的管桁架-下垂索峰值内力相对是最小的。
随着大跨煤棚的应用越来越广，本课题的研究成果可以为公司承接大跨度项目提供切实可行的技术支持。参考研究报告可以选择合理的结构方案，节省用钢量及造价，为市场端和技术端提供强力支点。
知识点：大跨度干煤棚结构方案选型及施工关键技术研究，50m~250m跨度的干煤棚结构选型分析
