第 1 章 绪论
1.1 研究背景和意义
20 世纪初，随着工业革命的爆发，建筑科学技术也有了较快的发展，煤炭作为工业动力的主要来源之一，地位举足轻重，储煤结构自然也受到了人们的关注。煤炭最初是露天储存的，这种储煤方式极易受到环境的影响，风会把一些比较细小的煤颗粒吹走，下雨、降雪会使裸露在外的煤炭潮湿，这种露天储煤方式不仅会影响煤的质量，污染环境，还会造成煤的损失，据不完全统计，这种损失约占露天储煤总量的 5%，所以露天储煤远不如封闭式储煤科学，现在大规模的煤炭储存已经很少采用露天储煤的方式了[1]。
在过去，由于生产力水平比较低，所以封闭的储煤结构最早是以砖结构、木结构、石木混合结构为主，随着电力事业的发展，科学水平的提高，储煤结构在材料和结构形式上都有了很大的进步，逐渐从二维平面结构发展到三维空间结构。空间结构所承受的荷载及由此产生的内力和位移是三维的，采用合理的曲面结构形式，可更有效抵御外荷载作用，使结构性能和材料强度能很好的发挥出来，同时，空间结构可以提供材料堆积时自然状态的空间，因此，很适合煤炭、石料、沙子等固体材料的储存[2]。由于木结构的防火和防腐蚀问题较多，混凝土结构施工需要大量的模板，且施工造价高、周期长，所以目前常用钢材和铝合金做空间结构的材料。
干煤棚的功能主要属于储存仓库，实现煤炭的存放，因此它必须能储存较多的煤炭，有足够的作业空间，净空高度符合生产需要，为了防止扬尘和煤炭受潮湿，环境受到污染，它一般是做成封闭式的。干煤棚的装机容量和生产需求决定了它的长度和宽度，结构的矢高则由斗轮机高度和堆煤高度决定，随着储煤量需求的增加，想要一次性遮挡这样量体的煤场，就需要跨度更大、净空更高的大型全封闭干煤棚来满足空间和作业的要求[3]。
........................
1.2 国外大跨度干煤棚的发展现状
20 世纪初，在一些工业发达的国家，很多露天煤矿分布在铁路沿线，如建于1900 年的美国宾夕法尼亚州的奥托储煤场（图 1-1），储煤 36 万吨，虽然储煤量很大，但露天储煤极易受到环境的影响，不但煤的质量得不到保障，而且煤的损失也比较严重，现在几乎很少使用这种储煤方式了。为了改善储煤场地，保证煤炭质量，防止煤料场扬尘污染环境，封闭式储煤结构应运而生，如建于 1900 年的美国宾夕法尼亚州 FJ&G 煤库（图 1-2），长 102m，宽 18m，由木材和石材建造而成，储煤可达 1 万吨，又如 1932 年建造的费尔班克斯煤仓（图 1-3），是木结构建筑，长60m，高 16m，有 26 条斜道将煤分运至卡车。在第一次世界大战期间，储煤仓筒出现在了人们的视野中，如大西洋煤业公司“蓝煤”储煤仓筒（图 1-4），通过竖直铲斗传送器将煤运至顶部，倒入这些建好的柱形仓筒，再从仓筒底部通过水平传送器运出，由火车运往世界各地。
第 2 章 三心圆柱面网壳结构受力性能分析基本理论
2.1 静力分析基本理论
空间网格结构分析的方法通过大致归纳，分为两大类，一类是离散化分析，也就是人们常说的有限元法，另一类称为连续化分析，即拟板法和拟壳法。由于连续化分析计算时需要有等代与回代过程，其计算精度不如有限元法，同时此方法需求解析解，对于复杂或不规则形式的结构则无法使用，故现在常用有限元法。此法对于任意结构类型、几何形状、支承与刚度变化的网格结构均可采用同一步骤和程序求解，由前处理的节点生成、截面优化、经各类计算到施工图绘制均可由计算机完成，且有限元法分析结构得到的解为精确解[24]。由于计算机应用技术的发展极为迅速，有限元法早已成为空间网格结构分析的主要方法，我国已拥有数个经鉴定并经实际工程考验为正确的空间网格结构的计算机软件。
本工程的三心圆柱面双层网壳采用空间杆系有限元法，即空间桁架位移法进行分析，它以空间铰接的杆件体系为计算模型，空间杆单元每个节点有 3 个自由度，也就是 3 个线位移，每个节点作用 3 个力，基本的未知量是节点线位移[25]。分析先从杆单元开始，建立杆件内力与位移的关系，之后把结构作为一个整体再进行分析，然后通过静力平衡及变形协调条件，建立结构上的节点荷载与位移的关系，得到结构的总刚度矩阵和总刚度方程，计算各节点的位移值，再根据杆单元内力与位移之间的关系求出杆件内力。
.........................
2.2 稳定性分析基本理论
在大跨度钢结构设计领域中，稳定性问题一直是一个比较关注的问题，非线性有限元法的出现，为后续的结构稳定性研究做出很大贡献。节点铰接的三心圆柱面网壳结构，杆件内力主要是轴力，结构跨度很大、网壳厚度又相对较薄，因此极有可能出现结构失稳的情况[27]。
2.2.1 特征值屈曲分析
特征值屈曲分析，也称为结构的线性屈曲分析，它不考虑结构的初始扰动，也不考虑结构的非线性，只是一种学术解，虽然它计算的结果并不是很精确，但在对网壳结构进行稳定性分析时，一般要先进行结构的特征值屈曲分析，它可以预先评估结构可能出现的薄弱环节和屈曲杆件，预测钢结构的屈曲荷载上限。而且它计算速度非常快，因此对三心圆柱面双层网壳结构进行稳定性分析时，先进行特征值屈曲分析。
几何刚度即荷载产生的应力钢化效应对结构弹性刚度的修正，具体数值与荷载的大小、方向以及分布形式密切相关[28-29]。计算求出的特征值，即是屈曲因子，它是实际荷载的放缩系数，因此屈曲因子乘以实际荷载等于屈曲荷载。屈曲因子大于 1.0 代表增大荷载可使结构失稳；屈曲因子小于 1.0 代表实际荷载大于屈曲荷载；当结构失稳是因为实际荷载反向造成的，可以用负值的屈曲因子表示。当结构发生分枝屈曲，在分枝点失稳时出现的变形形状，即是特征向量，也就是上式提到的屈曲模态。
............................
第 3 章 三心圆柱面网壳结构静力分析 .................................... 13
3.1 工程概况 ................................ 13
3.2 干煤棚的相关设备和工艺.............................. 13
第 4 章 三心圆柱面网壳结构稳定性分析 ................................ 33
4.1 结构失稳类型 .................................. 33
4.2 特征值屈曲分析 ............................ 34
第 5 章 三心圆柱面网壳结构动力分析 .................................. 39
5.1 自振特性分析 ..................................... 39
5.1.1 建立模型 ........................ 39
5.1.2 计算结果 ............................. 39
第 6 章 三心圆柱面网壳结构的优化设计研究
6.1 加强带在结构中的布置
在实际工程中，正放四角锥体网壳布置加强带时，常采用由斜杆组成的“十字型”加强带，本文通过对三心圆柱面双层网壳结构合理布置一定数量的“十字型”加强带，从而提高结构的整体受力性能，减小结构位移，使得结构更安全可靠。
6.1.1 布置考虑因素
分析加强带对三心圆柱面网壳结构的影响，首先要考虑加强带的布置方式，不同的布置方式对结构的受力性能有着很大的影响，本文在选取加强带布置方案时考虑以下几点因素：
（1）结构的肋部区域杆件轴力很大，纵向加强带应布置在网壳两侧的肋部区域，起到局部加强的作用；
（2）结构荷载主要沿着拱轴方向传递到纵边的支座上，所以跨向加强带应布置在连接支座的网壳拱轴上；
（3）该网壳结构采用上弦支承形式，因此加强带布置在网壳的上弦层更合适；
（4）由于支座布置在网壳端部，加强带的荷载最终要传递到支座上，所以端部布置“十字型”加强带的半侧。
.........................
结 论
结论
常用于干煤棚工程的三心圆柱面网壳结构，对于其设计、优化及结构性能的分析，矢跨比常常是按理论知识和规范要求在大范围内取值的，对于超过百米的大跨度干煤棚工程，结构矢跨比具体小范围取值的研究还比较少。本文以某 113m 跨度干煤棚工程为研究对象，采用 SAP2000 有限元结构分析软件，对三心圆柱面双层网壳结构进行静力分析、稳定性分析及动力分析，对比不同矢跨比对该结构的受力性能影响，选取了经济合理的小范围矢跨比值，并通过对结构布置加强带进行优化设计，主要得出以下几点结论：
（1）三心圆柱面双层网壳结构在静力作用下，结构整体呈下凹趋势，顶部区域的节点竖向位移最大，轴力较大的杆件多集中在网壳肋部区域及支座附近，结构内力分布不均匀。在跨度一定的条件下，杆件轴力随着矢跨比的增加而逐渐减小，节点位移变化亦是如此，矢跨比越大，结构的整体承载能力及结构整体刚度越好。
（2）结构几何非线性的安全稳定系数与特征值屈曲分析结果相比，降低了7.91%，应对结构进行非线性稳定分析，以得到更为准确的临界荷载值。在跨度一定的条件下，矢跨比相对较小的三心圆柱面双层网壳结构稳定承载力更好，稳定安全系数及安全储备较大，结构更为安全可靠。
（3）结构的周期较小，整体刚度较好，自振频率比较密集，变化较均匀，没有出现比较大的跳跃，振型频率变化趋于线性。在跨度一定的条件下，结构的自振频率是随着矢跨比的增大而减小的。
（4）结构采用振型分解反应谱分析，得到的杆件轴力和节点位移在 X 向地震作用下的响应结果与三维地震作用下的响应结果相差很小，内力图和变形图相似，原因在于前 80 阶振型中，X 向振动所占比重较大。与振型分解反应谱法相比，时程分析法计算得到的地震响应结果更接近结构的真实情况，因此在计算分析三心圆柱面双层网壳结构地震作用时，应注意在 X 向水平地震作用下的影响，并采用时程分析法补充计算。
参考文献（略）