干煤棚是火电厂中存储煤的大型库房。因为堆煤量的需要及堆取料机使用要求，干煤棚结构跨度较大，净空高度较高。随着工业需求的不断增加和建筑水平的不断提高，储煤结构无论从结构形式还是从建筑材料上都有了很大的变化，逐渐由平面结构向空间结构发展^[1]。目前国内大多数储煤结构采用网架、网壳结构，网架、网壳结构具有利用率高、受力合理、结构刚度大等优点，但是其杆件多，高空拼装作业时间长，支座沿长度设置较多、基础造价偏高^[2]。

　　 管桁架与网架结构相比结构耗钢量相对较小，且施工简便、适用性更强。管桁架结构中的圆管截面材料绕各个轴分布都是均匀的，这样使得结构在受力时杆件各方向承载能力都较强，截面抗压和抗弯扭刚度都较大，结构承载能力更大^[3]。预应力拱桁架是以拱形管桁架作骨架，通过科学合理地引入自平衡的预应力构件，将上弦刚性受压构件通过撑杆与下弦拉索组合在一起形成自平衡的受力体系，充分发挥材料的力学性能，创建出结构力学高效、安全、经济、造型美观的现代建筑结构体系。国际上，在大跨度体育场馆以及无吊重的大跨度工业建筑领域，预应力钢结构应用比例已达到60%以上，成熟应用的预应力钢结构跨度已达到250m以上。预应力拱桁架结构是拱与索的杂交结构，与普通拱形管桁架相比其受力性能及稳定性有所提高，拱脚水平反力得到控制，且索克服了钢结构中因刚度的增加而带来的材料用量增加这一困难^[4]。

　　 本文针对大跨度预应力拱桁架煤棚，提出3种布索方案，对这3种方案下的预应力拱桁架进行静力及稳定性分析，分别从结构的用钢量、索初始预拉力、杆件内力分布、位移、水平支反力以及结构稳定性这6个方面与未布索拱桁架作综合对比，并由此获得结构的最优布索方案。

　　 常见的预应力拱形管桁架煤棚结构形式如图1所示。整体结构由如图2所示的多榀预应力拱桁架通过次桁架、系杆、面外支撑等拼接而成。结构边榀设立山墙，上铺彩色压型钢板围护。本文储煤结构煤场容量按2×1 000MW机组考虑，煤场设置2台通过式悬臂斗轮堆取料机(带分流装置)，其悬臂35m，堆料为3 000t/h，取料能力为1 500t/h，堆料高度15m。贮煤场共有3列煤堆:A,B,C;A,C列煤堆宽度约为41.5m,B列煤堆宽度约为63m，煤堆之间的间距为17m，悬臂斗轮堆取料机在煤堆之间行走。

　　 拱桁架结构的特点是结构跨度大、弦杆应力分布不均、水平支座反力大，同时由于储煤结构对净空有要求，布索位置不能过低。为减小拱桁架挠度、提高刚度及整体稳定性，降低支座水平反力，同时使杆件内力分布更趋均匀、材料强度得到充分利用，提出如图3所示的3种预应力拱桁架布索方案，具体如下:

　　 方案1(图3(a)):张弦梁结构是一种性能优良的预应力结构，通过撑杆将预应力索下弦和上部刚性构件组合成一种自平衡体系，可以更加充分发挥上部刚性材料性能和柔性索材料性能，更加经济合理地增大结构跨度。本文结合张弦梁结构布索特点，同时考虑结构储煤结构对净空的要求，在跨度中段区域设置预应力张弦拉索，即为方案1。

　　 方案2(图3(b)):在方案1的基础上，同时在满足工艺要求的前提下，设置预应力斜拉索，即为方案2。相比较方案1，方案2对于抵抗风荷载有较大作用。

　　 方案3(图3(c)):为了克服大跨度钢拱结构截面较大、用钢量偏高的缺点，同时又能一定程度上满足轻巧明快、简洁通透的建筑效果，保持较高的室内净空，杨大彬等^[5]提出了一种新型落地索拱结构，该索拱结构包括上部钢拱、下部钢索和中部腹杆3部分。该索拱结构中部腹杆为圆钢管，与钢拱桁架和索铰接，只承受拉力和压力。该种索拱结构的拉索向拱方向内凹，腹杆为V形。结合这种结构特点，同时考虑工艺要求，本文提出方案3。

　　 预应力拱桁架整体虽为空间结构，但其主要受力体系为每榀单独的拱形管桁架。本文仅建立单榀模型进行分析，不考虑平面外自由度，单榀模型如图2所示。钢桁架跨度186m，高度46.48m，矢跨比1/4，其负荷宽度10m。桁架外形采用3心圆形状，桁架高度5m，桁架宽度5m，下部设置预应力拉索，桁架支坐落地形式为3点支承。

　　 采用3D3S12.1及ANSYS14.5进行计算分析。结构钢桁架的每段上、下弦杆采用梁单元模拟，钢桁架的每个腹杆以及连接钢桁架与索之间的每个撑杆用只受轴向力的杆单元模拟，每段索用只受拉力的杆单元模拟。

　　 在3D3S模型中，默认杆件类型为梁单元，通过释放两端弯曲自由度来模拟杆单元，在非线性分析系统中，进一步通过设置“只拉单元”以及“初始状态预应力导入”来模拟索。ANSYS模型主要用于结构整体稳定性分析，其中，梁、杆单元选用Beam188和Link180单元，通过Link180单元的实常数属性来实现索只受拉力，通过“Inistate,Defi”语句对Link180单元施加初始预应力。

　　 所有构件均采用理想弹塑性本构模型，泊松比均为0.3。钢桁架及撑杆采用Q345级钢，屈服强度为345MPa，弹性模量为2.06×10⁵MPa;钢索采用高强钢丝，屈服强度取其破断强度1 670MPa，弹性模量为1.95×10⁵MPa。

　　 依据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—20012)(简称荷载规范)和《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)(2015年版)(简称抗规)选取荷载及其组合。作用在结构上的荷载有初始预拉力、结构自重、屋面恒荷载、屋面活荷载或雪荷载、温度作用及地震作用。

　　 结构设计荷载如下:结构上铺彩色压型钢板围护，恒荷载为0.30kN/m²;活荷载为0.50kN/m²，活荷载考虑全跨及半跨布置;基本风压为0.45kN/m²，地面粗糙度类别为B类，风压体型系数和高度系数按荷载规范取值;基本雪压为0.40kN/m²，按荷载规范考虑不均匀雪荷载分布;温度作用考虑升温40℃，降温40℃;工程地震基本烈度为8度，地震动峰值加速度为0.2g，反应谱特征周期为0.35s，建筑场地类别为Ⅱ类，采用振型分解反应谱法，按照CQC法进行组合，地震作用按照X,Y,Z方向进行输入。

　　 根据荷载规范和抗规的要求，在结构设计时考虑的荷载组合如表1所示。表中DL为恒荷载，LL为活荷载，T为温度作用，WL为风荷载，EX为X向水平地震作用，EY为Y向水平地震作用，EZ为竖向地震作用。

　　 根据相关规范及工程经验，所有荷载组合作用下，所有模型需满足以下设计条件:杆件应力比小于0.90;压杆长细比小于150;竖向荷载作用下屋顶挠度小于跨度的1/400;考虑初始缺陷、几何非线性、材料非线性的静力稳定系数大于2。

　　 依据3D3S软件中的结构模型、荷载及设计条件，在最优拉索预应力的条件下，可计算得到各模型用钢量，如图4所示。图4中的用钢量为桁架杆件和拉索的总重。

　　 由图4可看出，布索方案1,2,3与纯拱桁架相比总用钢量有所下降，此用钢量既包含了桁架杆件的重量，也包含了拉索的重量，所以桁架杆件用钢量下降较为明显。根据计算结果，3种布索方案之间用钢量变化不大。

　　 理论分析及工程实践表明，拉索预拉力取值对预应力钢结构的力学性能有很大影响，在满足以上设计条件的基础上，根据以下原则确定拉索预拉力取值^[6]:所有拉索在各种荷载组合下不松弛;拉索最大荷载与破断荷载的比值控制在0.4以下;拉索最佳预拉力应使拱在最不利荷载组合下的应力、挠度以及支座水平反力较小。最终确定的拉索预拉力值为:1)方案1:300kN;2)方案2:张弦拉索500kN，斜拉索300kN;3)方案3:800kN。后续的内力及位移分析均基于此预应力数值。

　　 本文对每种布索方案与纯拱桁架的杆件内力分布情况进行对比分析。考虑到结构的对称性，本文绘出了1/2拱范围(迎风面)内结构杆件内力的分布情况。结构杆件编号见图5。1.0恒荷载+1.0全跨活荷载标准组合作用下的力分布情况如图6、图7所示，1.0恒荷载+1.0风荷载标准组合作用下的内力分布情况如图8、图9所示，其中轴力负值表示杆件受压。

　　 由图6、图7可看出，1.0恒荷载+1.0全跨活荷载标准组合作用下，纯拱桁架及3种布索方案的上弦杆内力基本分布规律为:由支座至拱顶先减小后增大，幅值出现在支座处。方案1,2,3上弦杆件内力幅值与纯拱桁架相比分别下降24%,34%,32%。除内力幅值外，从第6号杆件至拱顶，3种布索方案的上弦杆件内力分布与纯拱桁架相比更均匀。纯拱桁架及3种布索方案的下弦杆内力基本分布规律为:由支座至拱顶，拉力下降，而后轴力由拉力变为压力，压力先增大后减小，幅值出现在第36杆件处。方案1,2,3下弦杆件内力幅值与纯拱桁架相比分别下降13%,15%,18%。除内力幅值外，从第36杆件至拱顶，3种布索方案下弦杆杆件内力与纯拱桁架相比均有所下降，内力分布更均匀。

　　 由图8、图9可看出，1.0恒荷载+1.0风荷载标准组合作用下，纯拱桁架及3种布索方案的上弦杆内力基本分布规律为:由支座至拱顶先减小后增大，幅值出现在支座处。方案1,2上弦杆内力幅值与纯拱桁架相比变化不大，方案3内力幅值下降19%。除内力幅值外，方案2,3靠近拱顶处的上弦杆内力与纯拱桁架相比有所下降。纯拱桁架及3种布索方案的下弦杆内力基本分布规律为:由支座至拱顶，压力下降，而后轴力由压力变为拉力，拉力先增大后减小，幅值出现在支座处。方案1,2下弦杆内力幅值与纯拱桁架相比变化不大，方案3内力幅值下降25%。除内力幅值外，从第36号杆件至第45号杆件，方案2,3下弦杆拉力与纯拱桁架相比下降明显，最大分别下降了10%,75%。

　　 由图6～9及以上分析可得出如下结论:在1.0恒荷载+1.0全跨活荷载标准组合作用下，3种布索方案的杆件内力幅值与纯拱桁架相比均下降明显，且内力分布更合理。在1.0恒荷载+1.0风荷载标准组合作用下，方案3的杆件内力幅值与纯拱桁架相比下降明显，且内力分布更合理;方案2部分杆件的内力值与纯拱桁架相比有所下降;方案1内力值与纯拱桁架相比基本无变化。从结构内力情况看，布索方案3为较优方案。

　　 所有模型在1.0恒荷载+1.0全跨活荷载标准组合作用下的节点最大竖向位移如图10所示，所有模型在1.0恒荷载+1.0风荷载标准组合作用下的节点最大侧向位移如图11所示。

　　 由图10可看出，在1.0恒荷载+1.0全跨活荷载标准组合作用下，方案1,2,3的节点最大竖向位移与纯拱桁架相比分别下降了21%,24%,19%。3种布索方案都大大减小了结构的最大竖向位移，增大了结构的刚度。

　　 由图11可看出，在1.0恒荷载+1.0风荷载标准组合作用下，与纯拱桁架相比，方案3的节点最大侧向位移下降了25%，方案2的节点最大侧向位移上升了9%，方案1的节点最大侧向位移上升了23%。由此可看出，方案3能够大大减小结构在风荷载下的侧移，提高结构的抗风性能，方案1,2降低了结构的抗风性能。而方案2由于多加了预应力斜拉索，抗风性能强于方案1。

　　 从位移对比结果可看出，布索方案3为较优方案。

　　 图12列出了荷载基本组合作用下模型水平支座反力的最大值。可见方案1,2,3水平支座反力与纯拱桁架相比都有所下降，分别降低13%,20%,22%，其中方案2,3降低幅度较大。从水平支反力对比结果可看出，布索方案2,3为较优方案。

　　 对所有模型进行考虑初始缺陷、几何及材料非线性的静力稳定分析，荷载组合取1.0恒荷载+1.0全跨活荷载、1.0恒荷载+1.0半跨活荷载、1.0恒荷载+1.0不均布雪荷载的荷载标准组合。对于每种荷载组合，均以该组合作用下最不利的特征值屈曲模态作为初始缺陷分布形式，缺陷最大值取为跨度的1/300^[7]。表2为最不利荷载组合所对应的最小稳定性安全系数K值，安全系数均为各荷载组合的放大系数。图13为各荷载标准组合的稳定性安全系数K值-位移曲线，位移均为各组合作用下的最大位移。

　　 由表2、图13稳定性计算结果可知，纯拱桁架、方案3的稳定性控制组合为1.0恒荷载+1.0全跨活荷载，方案1、方案2的稳定性控制组合为1.0恒荷载+1.0不均布雪荷载。方案1,2,3的最小稳定性安全系数K值相比纯拱桁架都有所提升，其中方案3提高最明显，提高了12%左右。从稳定性安全系数K值对比结果可看出，方案3较优。

　　 (1)3种布索方案的用钢量与未布索拱桁架相比，在用钢量略有下降的情况下，能有效降低结构内力峰值，使结构的内力分布更加合理，提升结构的刚度，降低结构的支座反力，提高结构的稳定性。

　　 (2)布索方案3(V字撑内凹式索拱桁架结构)各受力性能指标与未布索拱桁架相比提升最明显，是最优方案。

　　 (3)储煤结构的应用还应考虑实际施工过程。虽然方案3各受力性能较优越，但其索的初始预拉力较大，且节点构造较复杂。虽然方案1,2受力性能指标略差于方案3，但施工工艺更简单。在储煤结构的实际工程选型中，应综合考虑结构受力性能和施工工艺，选择最优结构方案。