0 引言

　　自对干煤棚提出全封闭要求以来，涌现出形式各异的封闭煤棚结构，从早期用钢量较高的平面结构体系，到整体性更好的空间网格结构体系，再到更为轻巧的索结构体系，为更好地实现干煤棚结构储藏、运输等功能需求，要求其能覆盖较大空间，同时保证一定净高。随着设计人员对结构形式理解的加深及施工技术的不断进步，封闭干煤棚结构在满足承载力及工艺要求的同时，也变得更加经济、美观。

　　1 圆形平面刚性屋盖结构

　　1.1 结构形式

　　刚性屋盖结构由刚性构件(如梁、柱、杆件等)组成，依赖构件截面刚度及几何位形关系提供整体结构刚度^[1]。将图1b中平面桁架绕对称轴旋转1周，主桁架之间填充屋面网格，即可得到一种圆形平面刚性屋盖结构，如图1所示。主桁架与边柱铰支，上弦支承，截面采用变高度设计，屋盖中部弯矩较大位置适当提高主桁架截面高度，屋盖四周弯矩较小位置适当降低主桁架截面高度，更加经济地满足承载力要求，圆形屋盖中部微耸起形成草帽状，十分美观。

　　图1 一种圆形平面刚性屋盖结构  

　　荷载通过屋面网格结构传至主桁架，主要表现为主桁架杆件中的轴力，主桁架最终将荷载传至四周边柱上。屋盖外围可布设圈梁，进一步增加屋面结构整体性，同时限制屋面结构在荷载作用下可能产生的径向变形，减小柱弯矩。

　　当对屋面排水有进一步要求时，可采用图2所示三角形或拱形主桁架形式，进而形成尖屋顶或拱顶，增加屋面坡度。此时圈梁作用十分重要，如三角形主桁架，中部和两端节点均为铰接，与圈梁配合才能形成平衡体系。同时，三角形或拱形主桁架在脚部会产生较大水平推力，也需由圈梁平衡，否则会对边柱造成过大负担。在屋面自重或雪荷载作用下，圈梁受拉;在风吸力作用下，圈梁受压，边柱均主要承受轴力。

　　图2 三角形、拱形主桁架屋盖结构 

　　1.2 施工技术选择

　　适用于圆形平面刚性屋盖结构的施工技术较多，如高空散装法、整体提升法或整体顶升法等^[2]。其中，高空散装法最常见，适应性也最强，但通常需大规模搭设脚手架，施工速度慢;整体提升法和整体顶升法，减少了高空作业，提高了施工速度，但需配备专业设备，且应注意保证施工过程中结构的承载力和稳定性要求。工程实践中可根据具体技术条件和场地情况选择合适的施工技术。

　　2 圆形平面杂交屋盖结构

　　2.1 结构形式

　　刚性屋盖结构由于需依赖截面特性抵抗弯矩，所以构件尺寸较大，自重产生的内力占比也较大。合理地引入拉索进而形成刚-柔结合的杂交结构^[3]，一方面可由拉索张拉形成的几何刚度减小刚性构件截面弯矩及其尺寸;另一方面拉索形成的空间受力体系也有利于增加结构整体性。拉索全截面受拉，材料利用率高，且不存在受压刚性构件的失稳问题，其本身也是一种经济、高效的结构构件。

　　如图2a所示三角形主桁架刚性屋盖中引入辐射拉索和飞柱，即可获得一种圆形平面杂交屋盖结构，如图3所示。其中，飞柱上端与刚性主桁架铰接，拉索连接刚性主桁架外檐与飞柱下端。对拉索施加预应力后，屋盖结构刚化形成自平衡体系，拉索对飞柱提供顶升力，支起屋盖，同时也能部分替代圈梁作用，平衡主桁架脚部水平推力，圈梁更多地用来提高结构整体性，尺寸可大大减小。

　　弦支穹顶结构也十分适合构建圆形平面干煤棚屋盖，由日本学者川口卫(M.Kawaguchi)率先提出^[4]，其构成包括上层刚性球面网壳及下层撑杆和柔性拉索，根据刚性球面网壳布置形式，弦支穹顶结构可分为肋环型、葵花型和凯威特型等^[5]。其刚度来源于刚性球面网壳和拉索，并以上部刚性球面网壳为主，下部索撑体系起到弹性支承作用，可减小刚性网壳中的弯矩，减小刚性构件尺寸，降低屋盖自重。

　　图3 一种圆形平面杂交屋盖结构  

　　索撑体系可在刚性网壳下方满布，同时，由于刚性网壳本身具有一定的独立承载能力，也可根据受力特点及工艺要求间隔布置索撑，如图4所示，能获得较好的经济性，并营造出更加简洁、通透的建筑效果。

　　图4 间隔布置的弦支穹顶结构  

　　施加预应力后弦支穹顶结构刚度得到有效提升，屋盖与边柱铰接，荷载作用下边柱主要承受轴力，拱形屋盖水平推力主要由环形拉索平衡。

　　以双索盘车辐拱为承力主体构建圆形平面干煤棚结构也不失为一种好的选择。在拱形钢结构内部设置拉索，可大幅提高钢拱刚度和承载力，并降低其对于平面内反对称几何初始缺陷的敏感性，通过使用双索盘优化拉索的布置形式，又可有效增加室内可利用空间^[6]。

　　如图5所示，主构件双索盘车辐拱沿圆形平面径向分布，水平拉索环向串联，相邻钢拱之间填充三角形网壳，形成一种张弦式穹顶结构。由于优化了拉索布置形式，不会侵占较大室内空间，结构也可直接落地，而无需边柱支承。主体结构与地面支座铰接。

　　2.2 施工技术要点

　　杂交屋盖结构由于涉及拉索张拉，施工过程更复杂，也最能体现施工与设计的不可分割性。首先，杂交结构在不同建设阶段处于不同状态，通常可分为零应力态、初始态和荷载态^[5]。拉索未张拉时，结构处于零应力态;拉索张拉至目标值后，结构处于初始态;在初始态的基础上施加荷载后即达到荷载态。正确把握不同杂交屋盖结构形式在不同状态下的受力特点，是制定出安全、经济施工方案的基础。

　　图5 张弦式穹顶结构  

　　对于大部分杂交屋盖结构，刚性构件刚度均较大，故可忽略拉索张拉引起的构件变形，而依据初始态尺寸对构件进行加工、安装，如图4,5所示弦支穹顶屋盖结构和张弦式弯顶结构。而对于图3所示三角形主桁架屋盖结构，由于其成型很大程度上依赖拉索预应力，选择依照零应力态的几何尺寸进行加工、安装更加合适。

　　刚性结构部分是杂交屋盖骨架，适宜首先完成拼装，之后可选择在地面完成张拉并整体提升就位，或先安装好刚性结构再进行穿索张拉。拉索预应力施加通常不是一次性完成，要依据结构形式特点分级施加、分批张拉，并与荷载施加同步进行，保证刚性构件在整个张拉过程中处于弹性状态。

　　此外，施加的预应力应使拉索在屋盖受风吸力作用时不松弛，避免出现结构刚度突变。

　　3 圆形平面柔性屋盖结构

　　3.1 结构形式

　　柔性屋盖结构以柔性拉索为主体，辅以少量受压刚性构件，刚性构件不再具有独立承载能力，整体结构需张拉才能成型。索穹顶结构是一种常见的圆形平面柔性屋盖结构，其理念最早由R.B.Fuller提出^[7]，多用于体育场馆，也同样适用于干煤棚结构，具有建筑造型轻盈、节省钢材等优势^[8]。按拉索布置形式，索穹顶可分为肋环型、肋环斜杆型、联方型、凯威特型、施威德勒型等^[5]。

　　以肋环型索穹顶为例对其受力机理进行分析，一种典型肋环型索穹顶结构如图6所示。张拉完成后，撑杆上端斜索和脊索向撑杆传递向下的力，撑杆下端环索和斜索对撑杆提供向上支撑，进而形成竖向力平衡，水平面内的张拉场通过由内向外的层层嵌套，最终传递至外围受压环上，形成完整的自平衡受力体系。屋盖与边柱铰接，边柱主要承受轴力。

　　图6 肋环型索穹顶屋盖结构  

　　一种典型车辐式柔性屋盖结构形式如图7所示，径向布置拉索分上、下2根，一端向内连接于飞柱上、下索盘，另一端向外连接于边柱外压环上，拉索张力与外压环压力平衡。外压环可采用矩形或圆形截面，实腹式或格构式形式，纯钢结构或内填混凝土形成组合结构。当采用矩形截面外压环时，截面强轴应水平放置，以充分利用截面刚度。

　　图7“外凸”的车辐式柔性屋盖结构 

　　车辐式柔性屋盖结构如图7所示，径向布置的上、下2根拉索之间使用撑杆构造屋面外凸的造型，也可使用拉索构造屋面内凹造型，效果如图8所示，该车辐式柔性屋盖结构采用圆形截面外压环。

　　图8“内凹”的车辐式柔性屋盖结构  

　　车辐式柔性屋盖结构构成方式灵活，外压环形式多种多样，辐射拉索的布设也可根据外压环形式、建筑造型需求及工艺要求等做相应变化。一种采用三角形格构式外压环车辐式柔性屋盖结构如图9所示，三角形截面格构式外压环与边柱铰接时，由于其在受压收缩时，可通过截面转动代替锚固点收缩，故可最大限度地减小柱端弯矩，使边柱设计更经济。当采用这种外压环形式时，辐射拉索外围与外压桁架三角形截面的2个节点相连，在竖直向荷载作用下，上部拉索拉力增加，下部拉索拉力减小，将带动外压桁架上方未锚固的2根弦杆受压收缩，进而引起截面转动，而与边柱铰接的弦杆则不会有较大变形，使屋面荷载作用对边柱的不利影响降到最低。

　　图9 一种三角形格构式外压环车辐式屋盖结构  

　　3.2 施工技术要点

　　柔性屋盖结构刚度及承载力依赖张拉所形成的预应力，在张拉完成前结构为几何可变体系，几何位形与内力之间极强的耦合关系给施工带来许多困难^[9,10]。一方面，缺少刚性构件约束，结构“形”难以把握;另一方面，索与索之间互相关联，变动任意1根索的索力都会对其他索的索力产生影响，结构的“力”难以控制。这对施工队伍的专业素质及施工方案的科学合理性提出较高要求。

　　鉴于柔性屋盖结构复杂性，一次性张拉到位十分困难，且易造成结构局部受力过大，与荷载施加相适应的分级、分批张拉为更加合理、更加安全的方法。在张拉过程中，张拉量的衡量标准，即以索力还是以位形为依据进行张拉，则要结合结构形式与施工方案综合考虑。由于索力测量的技术更方便、成熟，现阶段工程实践中多以索力测量方法为主，施工过程中反复调整各索索力，逐步逼近设计值，当结构形式更加复杂时，这种方法将变得十分繁琐。

　　对于复杂张拉结构，定尺定长设计和施工技术具有明显优势^[11]。采用定尺定长法时，施工过程中无需反复调节拉索长度以修正索力，每根拉索长度均考虑了在结构刚度、索长误差、温度变化等影响的情况下进行精准设计，现场直接张拉至锚固点即达到设计索力，更加经济高效。

　　4 张弦式穹顶平面屋盖结构性能分析

　　为更全面地展现所提出新型封闭煤棚结构的力学性能，以张弦式穹顶圆形平面屋盖结构为例，进行全跨和半跨竖向均布荷载作用下的二阶弹性承载力分析，通过与相应无索模型进行对比，揭示拉索对结构受力性能的改善，并通过参数分析，研究索盘位置变化对承载力的影响，给出最优索盘位置参数。

　　4.1 模型信息

　　采用有限元软件ANSYS建立结构计算模型，考虑几何非线性对其进行二阶弹性承载力分析。模型跨度L=75m，计算中取矢跨比0.4,0.5。拉索布置形式如图10所示，钢拱拱脚与支座铰接。模型中刚性构件均为圆钢管，采用beam188单元模拟，其弹性模量为206GPa。主构件钢拱部分截面尺寸为610mm×20mm，环梁及单层网壳杆件截面尺寸为323.9mm×10mm。拉索采用只拉不压的link10单元模拟，其拉伸模量为190GPa，截面面积取为钢拱截面面积的5%。取网壳最低阶屈曲模态作为结构几何初始缺陷，缺陷幅值为L/300。此外，计算中不考虑对拉索施加预应力的情况。

　　图1 0 拉索布置形式  

　　4.2 承载力分析

　　全跨和半跨竖向均布荷载作用下张弦式穹顶屋盖模型(水平环索高度h=0.8H，直径d=0.3L)和相应的无索模型的荷载-位移曲线如图11所示。其中纵坐标均为荷载集度q与无索屋盖模型的弹性稳定承载力q_e,0的比值，横坐标为失稳时位移最大点对应的矢量位移幅值。可以发现，在全跨和半跨荷载作用下，相比于无索模型，有索模型承载力均有所提高，矢跨比0.4,0.5承载力增幅分别为20%,40%～60%。同时，设置拉索对结构刚度的提升也较显著，当外荷载达到q_e,0(无索模型的极限承载力)时，张弦式穹顶屋盖模型最大位移仅为无索模型的2/5左右。这表明，设置拉索对控制结构变形十分有效。

　　4.3 索盘位置影响

　　全跨和半跨荷载作用下，不同索盘位置的张弦式穹顶屋盖模型对应的承载力曲线如图12所示，其中，纵坐标为张弦式穹顶屋盖模型和无索模型的弹性稳定承载力比值。由图12可知，当矢跨比为0.4时，索盘位置变化对模型弹性稳定承载力的影响较小，当矢跨比为0.5时，影响更明显。当h/H=0.7～0.8,d/L=0.2～0.4时，模型承载力较高，且承载力幅值差异较小，同时考虑结构使用的净空要求，建议选取h/H=0.8,d/L=0.3～0.4。

　　图1 1 张弦式穹顶模型和无索模型的荷载-位移曲线  

　　图1 2 索盘位置对张弦式穹顶模型弹性稳定承载力的影响曲线 

　　5 结语

　　本文介绍多种适用于圆形平面干煤棚的结构新形式，并就其受力机理和施工技术要点进行论述。单纯由刚性构件组成的刚性屋盖结构，其设计和施工方法较常规，但往往结构自重较大，合理地引入拉索形成杂交屋盖结构或柔性屋盖结构，可起到优化受力、节省材料的效果。在杂交屋盖结构和柔性屋盖结构设计和施工过程中应特别注意考虑结构“形”与“力”的平衡要求，制定科学、高效的拉索张拉方案，特别对于复杂张拉结构，定长索设计和施工技术更具优势。最后，对张弦式穹顶屋盖结构进行算例分析，提出最优的索盘布置参数。