第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
在现代化建设的过程中，社会对能源的需求逐步增加，对工业基础设施的要求也逐步提高。环保部门治理相关法律法规越来越严格，由于地方煤场扬尘对外部空气质量的影响直观且难以清除，现阶段的法规已经明确对于煤炭物料应当密闭储存。为顺应国家对煤炭行业环境保护的相关要求，各矿区正在寻求大跨度棚盖储煤结构，来达到散煤封闭管理的目的。一般储煤棚的抑尘挡风网、墙存在技术缺陷，无法通过环保检查验收；钢板仓或混凝土筒仓施工周期过长，价格昂贵，是普通仓的 2-3 倍[1]，而且这些储煤形式对场地要求较高，不适用在已布置生产设备的环境下改造。
储煤厂棚化工程是对露天储煤场进行封闭，封闭改造后不影响储煤容量，不新增占地面积，在施工过程中储煤场生产运营正常进行，不得影响关键生产工序。与一般新建封闭煤棚的通平场地条件不同，此次设计与施工是在原有未经充分处理的场地上进行，原有参与生产的构筑物和机械等不需要拆除重建，但是需要充分考虑现场原有构筑物的布置复杂情况，利用技术手段规避或者利用现场原有构筑物带来的影响，以及如何满足生产要求的前提下实现结构可靠经济美观，是此储煤棚设计与施工要考虑的主要问题。
在此背景下环保储煤棚化改造工程被广泛的建设与研究，全封闭储煤棚已经成了工业建设市场主流形式。膜结构抗腐蚀性极其理想，存储温度合适，能长期集中堆放煤炭，实用性好。储煤棚采用骨架膜结构通常具有下列优势：施工周期短，能实现无梁无柱、大跨度建设预期，专业化降（除）尘，技术先进，环保性能突出。从膜结构应用实践来看，储煤棚采用膜结构围护结构和屋面时能实现全封闭目标，所以这种结构的应用越来越普遍[2]。
通过此复杂场况下的骨架膜结构设计分析与施工方案研究，对复杂场况干扰因素分析，结构布置形式，结构内力特征，施工手段等进行详细论述，有关成果可以为此后相关工程设计与施工提供有益借鉴，在环保改造或其他封闭改造过程中，免除相关生产设备的拆除重建或停工停产，提高工厂环保等级。提高社会经济效益。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
管桁架结构形式上属于格构式构件。桁架使用的杆件可为圆管、方管、圆管组合等。方形和圆形截面具有双向对称性质、截面形心与扭转中心在同一位置。杆件横截面积相同时，方管抗弯能力强，抗扭转性能比圆管弱。同时圆形截面对风荷载及流体荷载对圆管的作用效应较小，相贯线加工工艺焊接技术日渐成熟。空间管桁架应用较多的可分为正三角桁架和倒三角桁架两类，也有其他形状比如梯形等。正三角桁架上部仅一根弦杆，作屋架承力结构便于上部结构连接，与之相比倒三角形桁架在简支时上弦有两根杆件受压，结构受力更为合理，杆件局部稳定性较高，减少了支撑间距，给人轻巧的视觉感受。
在建筑行业大跨度钢结构建筑可以在一定程度上表现国家整体建筑能力的强弱[3]，随着钢产量逐年增长，钢材质量水平不断提高，甚至出现了超高强度钢材，钢结构所需相关技术标准不断成熟，大跨度空间管桁架结构在这期间大幅度发展，在大型公众建筑如机场，火车站，展览馆和竞技馆等大空间+建筑领域也取得了一些较为耀眼的成就。图 1-1 所示为大兴机场航站楼顶部结构，这种自然采光体系的组成部分包括气泡窗、条形天窗、六边形天窗，三者相互连接，室内面积中有 60%以上均为自然采光。屋盖结构复杂、规模庞大，其主体支撑为八根 C 型柱上宽下窄，底部最窄处仅 3m，顶部宽度峰值 23m。地下 2 层，地上局部 5 层，核心区建筑面积 60 万 m2金属屋面，钢结构支撑体系.针对其层间高度大，构件尺寸大、跨度长、荷载重等因素，采用新型盘扣架、双槽托梁等支撑体系克服大截面梁、大弧形梁等难题。
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第 2 章 工程概况
2.1 工程概况
2.1.1 基本情况
本工程位于河北省邯郸市峰峰矿区，由平顶山选煤设计院设计的矿井型炼焦煤选煤厂。该厂于 1980 年 7 月建成投产。选煤厂入选原料煤的牌号为肥煤，具有结焦性好，粘结性强的特点，为国内稀缺的炼焦煤资源。精煤用户主要有安钢及本地的焦化厂，中煤主要供坑口电厂，产量多，矿区有多个大面的储煤场。
2016 年，孙庄生产部的马头洗选厂原煤棚建成并投入使用。在中央政府重拳整治环境乱像、节能减排压力不断增加这一现实背景下，邯郸市政府[2012]76 号规定料场、成品场等细粉、细颗粒物质堆积场限期治理，达到仓化、棚化、硬化、净化、绿化目标，通知要求马头洗选厂限期全部建设封闭料仓。马头洗选厂九龙生产部虽然建了原煤棚，但和环保部门的要求还相差甚远，峰峰矿区环保局《关于孙庄煤场环境违法行为限期整改通知》峰环字（2017）42 号，《峰峰矿区大气污染防治工作领导小组办公室关于冀中能源峰峰集团有限公司孙庄选煤厂环境违法行为停产整改通知》（2017）59 号，多次收到环保部门的处罚和环境限期整改通知，建设封闭料仓是环境治理的强制措施，否则不能通过环保验收和处以巨额罚款甚至关停。
2.1.2 自然条件
峰峰矿区属大陆性半干旱气候，该区夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春季干燥多风。根据气象资料：年平均气温 13.9℃，极端最高气温 41.9℃，最低气温-15.7℃。年平均降雨量 579.8mm，在 7、8、9 月份雨量集中，为 324.6mm。占全年降雨量的56%。最大冻土深度 240mm，最大积雪厚度 150mm.当地夏季以南风为主，冬季盛行北风，年平均风速 1.54m/s，最大风速为 20m/s。
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2.2 复杂场况分析
如图 2-1 项目场地平面图所示，南北长 84.03m，东西长 77.35m，高 25m，约成长方形。东侧临铁道，西侧临泵房，南侧临水塔，北侧临油库。该地地貌类型为鼓山东麓冲洪积平原上，场地地形为南高北低、西高东低。周围及内部多构筑物。根据工程设计任务书要求，本工程总用地 6800m2，总建筑面积不少于 6500m2，建筑总高度约 25m。根据要求，建设周期为两个月，时间紧任务重，且在建设期间，厂区内物料正常流动，不得停产。
根据地址勘探报告，现场土质分布不均匀，东侧场地有地质下沉的情况发生，在紧邻煤场外围边线处有以高耸水塔给地基处理与基础施工带来难题。
在现场平面上，厂区内外构筑物分布密集、输煤栈桥与高大的落煤口交错相连复杂且没有规律。两条穿出的精肥输送栈桥干扰维护结构的正常布置，影响桁架柱和基础的布置位置致使结构布置不能达到简洁对称的状态。
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第 3 章 结构方案设计........................ 13
3.1 结构选型 ............................... 13
3.2 设计复杂性分析 ............................... 15
第 4 章 结构设计与分析....................... 21
4.1 计算模型 ............................................ 21
4.1.1 模型单元属性选择 ...................................... 21
4.1.2 荷载与荷载组合 ........................... 26
第 5 章 基于复杂场况下的施工方案研究......................... 47
5.1 复杂性及施工难点分析 ....................... 47
5.2 基础施工重难点 .......................... 47
第 5 章 基于复杂场况下的施工方案研究
5.1 复杂性及施工难点分析
（1）现场场地条件十分复杂，场地原是堆煤区，附有较厚的残积物或原煤，在进行平面测定和标高定位时一般手段达不到精度要求。地基土质相差较大，ZZ-5、8 为桩基础，其余为独立基础。桩基础需要保证足够的有效长度，独立基础下设承台需要进行基坑开挖，厂区覆煤条件和原有构筑物的基础干扰基础施工，在地基开挖过程中需要进行有效支护。
（2）该工程的主体结构为管桁架结构，桁架跨度较长达到 83m，要求结构制作和安装的精度高。现场面积大，中间已有构筑物多，不具备通视条件，在制作和施工中精度质量要求高。
（3）桁架重整榀桁架约 22t，吊装困难，且在设计之初 GHJ-4 拟定从 C、D 输煤栈桥上下之间穿越，GHJ-4 下方有高耸落煤口和相关机具。根据每榀桁架所处位置需要研究相应的吊装方案确定起点流向、工艺顺序等。
（4）现场不具备足够的场地进行胎架和桁架安装，桁架需要分块拼装后进行整体组装，在此应考虑合理的拼装单元数量和搬运路径减少二次搬运。
（5）工期十分紧张，千吨钢结构及近 7000 平方米的屋面要在 60 多天的工期内全部完成。
（6）现场有构筑物和堆煤，构筑物无法移动和拆除影响桁架的整榀拼装，且即使在施工中现场储煤运煤仍在正常运营，无法做到场地全面清理，需要与有关方面协调进行场地准备，随用随清，用完即恢复。
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结论与展望
储煤场棚化改造作为我国经济建设进程中为应对环境挑战与经济状况相适应而产生的一种特殊工程项目。工程项目实施具有紧迫性必要性，分析勘察报告中场区的自然环境，地质条件。调查研究厂区周边环境，内部的构筑物和生产机具的分布，详细分析复杂场况及其设计与施工的影响。
桁架不平行的设计方案解决了原有构筑物基础干扰桁架基础布置的问题；通过改变桁架布置方向避免地基不均匀沉降对结构的影响；桁架间距的设置既保证结构稳定性，又便于施工提升了经济效益；针对不平整地形设计不等高的柱脚高度，减小混凝土柱截面弯矩，降低基础造价；采用不等高桁架、输煤栈桥穿模设计创新性的解决棚化结构难以覆盖厂区局部过高的问题。
在计算上采用 STCAD 对结构进行设计计算，并对结构杆件，节点形式进行深度优化，确定杆件截面、节点类型和相贯节点主管方向。通过计算结果对比阐述梁杆单元对计算结果的影响根据实际工程而有差别，在进行结构设计计算应充分考虑两种计算单元计算假设与实际工程所用杆件的关系。通过计算结果发现，即使结构布置存在不平行、不等高，也能通过合理的设计也能使结构达到合理的受力状态和满意的经济效益。
由于焊缝的存在，杆件末端连接的刚度与梁杆单元的假设会有计算误差，设计者应根据杆件关系和连接构造谨慎选取计算模型，必要时可进行有限元模拟验证节点受力情况。在节点性能上，对相贯节点、球形节点等采用 ABAQUS 进行模拟，并分析其受力特性。发现其杆件在最不利荷载组合下仍处于弹性状态，相贯节点具有优秀的工作性能，杆件之间的相对角度，也就是桁架网格划分合理。相贯线附近应力均大于杆件应力，这一点需要设计者谨慎注意，在杆件的应力比较高时，应采取必要措施对节点进行加固处理。
参考文献（略）