الهيكل الشبكي واسع البحر: هندسة سقيفة فحم 229 مترًا

سقيفة الفحم المغلقة في محطة فانغجياتشوانغ للطاقة التابعة لـقوتشيان نينغشيا تمتد 229 مترًا — أطول بحر صافٍ لهيكل تخزين فحم في العالم. ولتوضيح المقياس: 229 مترًا طول ملعبي كرة قدم ونصف، موضوعين طرفًا بطرف، بلا أعمدة داخلية. فعلى السقف أن يحمل حمل الثلج وحمل الريح ووزنه الميت والضغط الجانبي للفحم المكوّم على الجدران السفلى — كل ذلك بلا أي دعم وسيط.

هذا المقال سرد هندسي لكيفية تحقيقنا هذا الرقم القياسي. وليس مادة تسويقية. فهو يغطي المفهوم الإنشائي (لماذا الحزمة الوترية لا الشبكة المكانية)، وتسلسل الشد المسبق، وحمل الريح على هيكل تبلغ مساحة سطحه أكثر من 40,000 م² ، ومرساة الأساسات لقوى الكابلات، وطريقة الإنشاء. وكل رقم في هذا المقال يأتي من التحليل الإنشائي وسجلات التصنيع الخاصة بالمشروع.

1. لماذا الحزمة الوترية لا الشبكة المكانية؟

ورشنا في شوتشو تنتج أكثر من 3,000,000 م² من إنشاء الشبكات المكانية سنويًا، ومشروع 229 مترًا أدناه واحد من أكثر من 500 هيكل سلّمناه منذ 1999. ولمعظم البحور حتى 120 مترًا، الشبكة المكانية مزدوجة الطبق هي الهيكل الأكفأ. فلماذا لم نستخدم شبكة مكانية لسقيفة الفحم 229 مترًا؟

الإجابة هي كفاءة الوزن في البحر المتطرف. فوزن المتر المربع في الهيكل الشبكي المكاني يزيد خطيًا تقريبًا مع البحر، لأن قوى الأعضاء تنمو مع البحر ومقاسات الأعضاء يجب أن تزيد بالتناسب. وعند بحر 229 مترًا، شبكة مزدوجة الطبق كانت ستتطلب أعضاء بقوى محورية تتجاوز 2,500 كيلونيوتن، متطلبة عقد كروية ملحومة ثقيلة وأنابيب كبيرة القطر (Ø273 × 16 مم أو أكبر). واستهلاك الفولاذ سيكون نحو 85-95 كغ/م²، أي إجمالي 3,400-3,800 طن فولاذ للسقف 40,000 م² .

وهيكل الحزمة الوترية يحقق البحر نفسه بنحو 45-55 كغ/م² — انخفاض 40-45٪ في وزن الفولاذ. وإجمالي وزن الفولاذ 1,800-2,200 طن، بتوفير 1,600 طن فولاذ. وبأسعار الفولاذ 2023، هذا توفير مادي نحو 12-15 مليون يوان (1.7-2.1 مليون دولار). والتوفير يزيد على كلفة كابلات الحقن المسبق ومراسيها وعملية التصنيع والإقامة الأكثر تعقيدًا.

مفهوم الحزمة الوترية

هيكل الحزمة الوترية يتكون من ثلاثة مكونات:

1. الوتر العلوي (عضو الضغط): جمالون أو كمرة فولاذية تحمل حمل الجاذبية بالضغط والانحناء. والوتر العلوي العضو الإنشائي الأساسي.
2. الوتر السفلي (عضو الشد): كابل أو قضيب فولاذي عالي القوة يُشد لخلق قوة صاعدة على الوتر العلوي تعاكس حمل الجاذبية. والكابل يعمل في الشد كليًا — أكفأ استخدام للفولاذ عالي القوة.
3. الأعمدة الرأسية (الوصلات): أعضاء رأسية تصل الوتر العلوي بالكابل السفلي، ناقلة القوة الصاعدة من الكابل إلى الوتر. وهذه الأعمدة تحمل ضغطًا محوريًا فقط.

والمبدأ الإنشائي أنيق: حمل الجاذبية يثني الوتر العلوي إلى الأسفل، والكابل المشدود يسحبه صاعدًا عبر الأعمدة. وشد الكابل محسوب مسبقًا لتعويض نسبة محددة من الحمل الميت (عادة 70-90٪)، بحيث تحت الحمل الميت + الحي الكامل يشهد الوتر العلوي عزم انحناء أقل من كمرة تقليدية. والكابل يحمل الحمل في شد صرف بكفاءة لا يضاهيها أي عضو ضغط، لأن الكابلات لا تنبعج.

مقارنة إنشائية عند 229 مترًا

والحزمة الوترية ليست أخف فقط بل أصلب أيضًا (انحراف L/400 مقابل L/250)، لأن الكابل المشدود مسبقًا يوفر دعمًا مرنًا على طول البحر يقلل طول الانحناء الفعال. والمقايضة هي القوة الأفقية للكابل (850 كيلونيوتن لكل دعامة)، التي يجب أن تُرسى في الأساس — اعتبار تصميمي إضافي معتبر نناقشه في القسم 4.

2. تسلسل الشد المسبق

أصعب تحد هندسي في هيكل الحزمة الوترية هو تسلسل الشد المسبق. فالكابل لا يمكن شده في عملية واحدة — فشكل الهيكل يتغير مع شد الكابل، وتغيرات الشكل هذه تؤثر في توزيع القوى في كل عضو. والتسلسل الرديء قد يسبب انبعاج الوتر العلوي أو تحميل الأعمدة زيادة أو ارتخاء الكابل في مراحل وسيطة.

الشد على مراحل

لسقيفة الفحم 7 وحدات حزمة وترية على طولها، كل منها تمتد 229 مترًا في الاتجاه العرضي. ولكل وحدة 5 كابلات (مرتبة بنمط مروحي من مراسي الأطراف)، خالقة 5 نقاط شد لكل وحدة. وتسلسل الشد لكل وحدة كان:

• المرحلة 1 (10٪ من شد التصميم، 85 كيلونيوتن): تُشد الكابلات الخمسة كلها متزامنة إلى 10٪ من شد التصميم. وهذا يزيل ارتخاء الكابل ويضع المراسي. والهيكل ما زال مدعومًا بأبراج دعم مؤقتة في هذه المرحلة.
• المرحلة 2 (30٪ من شد التصميم، 255 كيلونيوتن): تُشد الكابلات إلى 30٪. ويبدأ الوتر العلوي بالارتفاع عن الدعم. ويُرصد الانحراف في 12 نقطة على البحر بمسح بمحطة كاملة (دقة ±1 مم). وإن انحرفت أي نقطة عن الانحراف المتنبأ به أكثر من 5 مم، يُوقف الشد ويُعاد فحص النموذج الإنشائي.
• المرحلة 3 (60٪ من شد التصميم، 510 كيلونيوتن): تُشد الكابلات إلى 60٪. وتُزال أبراج الدعم المؤقتة. والهيكل الآن يحمل وزنه الميت بفعل الحزمة الوترية. والانحراف في هذه المرحلة متنبأ به +15 مم صاعدًا (تقويس) في منتصف البحر.
• المرحلة 4 (85٪ من شد التصميم، 723 كيلونيوتن): تُشد الكابلات إلى 85٪. ويبلغ الهيكل حالة التحميل المسبق، بتقويس 45 مم صاعدًا في منتصف البحر. وهذا الانحراف الصاعد مصمم ليُلاشى بحمل الكسوة والعزل والمدادات الميت، التي تُركب بعد هذه المرحلة.
• المرحلة 5 (100٪ من شد التصميم، 850 كيلونيوتن): شد نهائي إلى 100٪ بعد تطبيق كل الأحمال الميتة. ويبلغ الهيكل هندسته التصميمية: انحراف صفر في منتصف البحر تحت الحمل الميت، مع كابل يوفر قوة صاعدة تعوض 80٪ من الحمل الميت.

وكل مرحلة تتطلب 4 ساعات على الأقل لإعادة توزيع القوى وارتخاء الزحف قبل بدء المرحلة التالية. وإجمالي زمن الشد لكل وحدة 2-3 أيام. وشُدت الوحدات السبع متتالية (لا متزامنة) لإتاحة الرصد والتعديل.

رصد القوى أثناء الشد

كل كابل مجهز بخزانة حمل (من نوع مقياس إجهاد بسلك اهتزازي) عند المرساة، توفر قراءات شد في الزمن الحقيقي أثناء تسلسل الشد. إضافة إلى ذلك، الوتر العلوي مجهز بمقاييس إجهاد في 8 مواقع لكل وحدة ترصد إعادة توزيع الإجهاد. وبيانات الرصد تُقارن بنموذج التحليل الإنشائي في الزمن الحقيقي، وأي انحراف يتجاوز 10٪ يثير توقفًا للتحقيق. وأثناء الشد الفعلي كان أقصى انحراف عن القوى المتنبأ بها 6٪ — داخل تفاوت الـ10٪ بسهولة.

3. حمل الريح على هيكل ببحر 229 مترًا

مساحة سقف سقيفة الفحم نحو 40,000 م² (229 م × 175 م). وهذه المساحة السطحية الهائلة تمثل تحدي حمل ريح معتبرًا. والهيكل يقع في نينغشيا، منطقة داخلية بضغط ريح أساسي 0.45 كيلونيوتن/م² (فترة عودة 50 سنة، وفق GB 50009).

حساب حمل الريح

ضغط الريح على السقف يعتمد على معامل شكل السقف (Cp)، الذي يتغير بالموضع. ولسقف منحنٍ (مقوس) بنسبة ارتفاع إلى بحر 1/6، معاملات ضغط الريح وفق GB 50009 هي:

• الربع المواجه للريح: Cp = −0.2 (رفع، متوسط)
• القمة (الأعلى): Cp = −0.8 (رفع، عالٍ)
• الربع المحمي: Cp = −0.5 (رفع، متوسط)
• الجدار المواجه للريح: Cp = +0.6 (ضغط)
• الجدار المحمي: Cp = −0.3 (شفط)

وقوة الرفع الكلية على السقف تحت ريح التصميم (ضغط أساسي 0.45 كيلونيوتن/م² ، مع معاملات ارتفاع وتضاريس ترفعه إلى 0.68 كيلونيوتن/م² عند ارتفاع الطنف 45 م):

F_uplift = 0.68 × (−0.8) × 40,000 م² = : −21,760 كيلونيوتن (رفع)

وقوة الرفع هذه 21,760 كيلونيوتن يجب أن يقاومها الوزن الميت للهيكل وشد الأساسات. فالوزن الميت لهيكل السقف (1,800 طن) يوفر 17,640 كيلونيوتن مقاومة جاذبية. والـ4,120 كيلونيوتن الباقية من الرفع يجب أن تقاومها مراسي الأساس — التي يجب أن تقاوم أيضًا قوة الكابل الأفقية 850 كيلونيوتن لكل دعامة. والأحمال الرأسية والأفقية المجتمعة تجعل تصميم الأساس مكونًا حرجًا في المشروع.

اختبار نفق الريح

لهيكل بهذا الحجم والأهمية، أضفنا إلى حساب حمل الريح القائم على الكود اختبار نفق ريح في نفق الريح ذي الطبقة الحدودية بجامعة تونغجي. ونُموذج بمقياس 1:200 في اتجاهي الريح الطولي والعرضي، بصنابير ضغط في 120 موقعًا على سطح السقف. وأكدت نتائج نفق الريح المعاملات القائمة على الكود داخل 10٪، باستثناءين ملحوظين:

• مناطق الزوايا: أظهر نفق الريح معاملات رفع موضعية −1.2 عند زوايا السقف (مقابل قيمة الكود −0.8)، بسبب تشكل الدوامات. فعززنا وصلات الزوايا وزدنا الحمل الميت (ثقل خرساني) في هذه المواقع.
• الاستجابة العرضية للريح: اتجاه الريح العرضي (العمودي على بحر 229 مترًا) أظهر استجابة ديناميكية من انفصال الدوامات، بتردد رنين 0.8 هرتز. والتردد الطبيعي للهيكل 1.2 هرتز، وهو مختلف بما يكفي عن تردد انفصال الدوامات لتجنب التزامن، لكننا أضفنا مخمدات كتلية مولفة (TMD) عند القمة لتخفيف أي تضخيم رنيني.

4. مرساة الأساسات لقوى الكابلات

هيكل الحزمة الوترية ينقل قوتين إلى كل أساس: حملًا رأسيًا (1,800 كيلونيوتن نازلًا تحت الميت + الحي، أو 520 كيلونيوتن صاعدًا تحت رفع الريح) وحملًا أفقيًا (850 كيلونيوتن خارجًا من شد الكابل). والقوة الأفقية هي تحدي التصميم المحدد للأساس.

اختيار نوع الأساس

الموقع على تربة غرينية بقدرة تحمل 180 كيلوباسكال (رمل حصوي متوسط الكثافة). وقيّمت ثلاثة خيارات أساس:

• أساس حصيرة ضحلة: تُقاوم باحتكاك التربة على وجه الحصيرة السفلي. ومساحة الحصيرة المطلوبة لمقاومة قوة أفقية 850 كيلونيوتن (بمعامل احتكاك تربة 0.35) هي 850 / (0.35 × 180) = 13.5 م² — ممكنة، لكن حالة الرفع (520 كيلونيوتن) تتطلب وزن حصيرة يتجاوز 520 كيلونيوتن، أي 53 م³ من الخرسانة. وستكون الحصيرة 6 م × 3 م × 3 م عمقًا — كبيرة لكن ممكنة.
• خوازيق مدقوقة: الخوازيق المائلة (بزاوية 15°) تستطيع مقاومة الأحمال الرأسية والأفقية. 4 خوازيق Ø600 مم لكل دعامة، بقدرة رأسية 1,200 كيلونيوتن وقدرة أفقية 350 كيلونيوتن لكل منها، توفر قدرة أفقية كلية 1,400 كيلونيوتن — 65٪ فوق الطلب 850 كيلونيوتن. وكان هذا الخيار المختار لأن الخوازيق تقاوم أيضًا حالة الرفع باحتكاك الجلد (200 كيلونيوتن لكل خازوق).
• مراسي صخرية: غير ممكنة لأن الموقع تربة غرينية والصخر الأم على عمق 25 م.

وصلة الخازوق بالهيكل

قلنسوة الخازوق كتلة خرسانية مسلحة (3.5 م × 3.5 م × 1.5 م عمقًا) تنقل قوة شد الكابل إلى الخوازيق المائلة عبر نظام دعامات وروابط خرساني مسلح. ومرساة الكابل كتلة مرساة من فولاذ مصبوب مدمجة في قلنسوة الخازوق، مصممة لنقل 850 كيلونيوتن من الشد إلى الخرسانة بالترابط والتحمل. وكتلة المرساة مصممة وفق GB 50010 (كود الهياكل الخرسانية) بطول تطور أدنى 1.2 م لقضبان مرساة الكابل (Ø75 مم، فولاذ 40Cr).

5. طريقة الإنشاء: تجميع أرضي ورفع متزامن

طريقة إنشاء سقيفة الفحم حكمها قيدان: البحر 229 مترًا (أكبر من تجميع بالرافعات على ارتفاع) ومتطلب الشد المسبق (الكابلات يجب أن تُشد من الأرض قبل رفع الهيكل إلى موضعه النهائي).

الخطوة 1: التجميع الأرضي

جُمعت وحدات الحزمة الوترية السبع عند مستوى الأرض في منطقة تجهيز ملاصقة لموقع سقيفة الفحم. وجُمعت كل وحدة على دعامات مؤقتة (أبراج سقالات) تضع الوتر العلوي على 1.5 م فوق مستوى الأرض — كافٍ لوصول العمال إلى الأسفل لتركيب البراغي وتمرير الكابلات. وجُمعت الوحدات متتالية، بتجميع كل وحدة في 8-10 أيام (طاقم 4 أشخاص لكل وحدة، بوصلات مسمّرة لأعضاء الجمالون وكتل مرساة الكابلات).

الخطوة 2: تركيب الكابلات والشد المبدئي

مُررت الكابلات عبر وصلات الأعمدة وأُرسيت من الطرفين. وأُكملت المراحل 1-3 من تسلسل الشد المسبق (10٪ و30٪ و60٪) عند مستوى الأرض، والهيكل ما زال مدعومًا على أبراج السقالات. وهذا أتاح التحقق من توزيع القوى والهندسة قبل الرفع — خطوة إدارة مخاطر حرجة، لأن أي مشكلة تُكتشف بعد الرفع ستكون صعبة التصحيح ومكلفة جدًا على ارتفاع 45 مترًا.

الخطوة 3: الرفع المتزامن

استخدم الرفع نظام رفع هيدروليكي متزامن بأربع نقاط رفع لكل وحدة (عند نقاط الأرباع في بحر 229 مترًا). وكل رافعة بقدرة 2,500 كيلونيوتن ومدارة بالحاسوب للحفاظ على التزامن داخل ±5 مم من الإزاحة الرأسية في كل النقاط. وإجمالي حمل الرفع لكل وحدة نحو 6,800 كيلونيوتن (وزن الهيكل الفولاذي مع الكابلات المشدودة جزئيًا).

ومعدل الرفع 0.5 م في الساعة — بطيء عمدًا لإتاحة الرصد المستمر لتوزيع القوى وشد الكابلات وهندسة الهيكل. وعند كل زيادة 5 م، يُوقف الرفع لمسح كامل وفحص قوى. واستغرق الرفع الكلي من مستوى الأرض إلى الموضع النهائي (ارتفاع طنف 18 م وارتفاع قمة 45 م) نحو 50 ساعة لكل وحدة.

الخطوة 4: الوصل بالأساسات والشد النهائي

بعد بلوغ الوحدة ارتفاعها النهائي، سُمّرت وصلات الأطراف بكتل مرساة قلنسوة الخازوق. ثم أُكملت المرحلتان 4 و5 من الشد المسبق (85٪ و100٪) والهيكل في موضعه النهائي. وأُزيلت أبراج الدعم المؤقتة بعد المرحلة 5، وصار الهيكل ذاتي الدعم.

الخطوة 5: تركيب الكسوة والمدادات

رُكبت المدادات والكسوة بعد أن صار الهيكل ذاتي الدعم واكتمل شد الكابلات. والحمل الميت للمدادات والكسوة (نحو 0.25 كيلونيوتن/م²) طُبق تماثليًا لتجنب تحميل غير متوازن على نظام الحزمة الوترية.

6. التحليل الإنشائي والتحقق

أُجري التحليل الإنشائي لهيكل الحزمة الوترية 229 مترًا بتحليل عناصر محدودة غير خطي (FEA) بلاخطية هندسية (تأثيرات P-Δ وسهم الكابل). ونموذج التحليل شمل:

• 1,847 عنصر كمرة لأعضاء جمالون الوتر العلوي، بنماذج مادة مرنة-لدنة لفولاذ Q355B.
• 35 عنصر كابل (5 لكل وحدة × 7 وحدات) بسلوك شد فقط وشد مسبق ابتدائي 850 كيلونيوتن.
• 140 عنصر جمالون للأعمدة الرأسية، بسلوك ضغط فقط.
• شروط حدودية غير خطية عند الأساسات، تنمذج صلابة الخوازيق في الاتجاهين الرأسي والأفقي.

وتحقق التحليل من:

• القوة: أقصى إجهاد عضو تحت كل تركيبات الأحمال (ميت، حي، ريح، ثلج، حرارة) هو 285 ميغاباسكال — 81٪ من قوة خضوع Q355B (355 ميغاباسكال)، بمعامل أمان 1.25.
• الاستقرار: الحمل الحرج المرن للوتر العلوي 2.8 ضعف حمل التصميم، متجاوزًا حد GB 50017 الأدنى 2.0 للهياكل الأساسية.
• قابلية الخدمة: أقصى انحراف تحت الحمل الميت + الحي الكامل 573 مم (L/400)، داخل حد GB 50017 L/250 (916 مم) لهياكل الأسقف بسهولة.
• إجهاد الكابل: نطاق إجهاد الكابل تحت حمل الريح 45 ميغاباسكال، وهو أدنى من حد الإجهاد 70 ميغاباسكال لكابلات الفولاذ عالية القوة (وفق GB/T 18306)، موفرًا عمر خدمة يتجاوز 2 مليون دورة.

7. لماذا يهم هذا المشروع

سقيفة الفحم 229 مترًا ليست رقمًا قياسيًا فحسب. إنها تثبت ثلاثة مبادئ هندسية تنطبق على أي مشروع هيكل فولاذي واسع البحر:

أولًا، اختيار النظام الإنشائي يجب أن يحكمه البحر لا التفضيل. نحن نصنع شبكات مكانية أكثر من أي نوع هيكل آخر (أكثر من 3,000,000 م² سنويًا)، لكننا لم نستخدم شبكة مكانية لهذا المشروع لأنها لم تكن الهيكل الصحيح عند هذا البحر. فنظام الحزمة الوترية وفّر 1,600 طن فولاذ وأنتج هيكلًا أصلب وأكفأ. والهيكل الصحيح لمشروعك يعتمد على بحرك وحملك وموقعك — لا على ما يفضل مصنّعك بناءه.

ثانيًا، الشد المسبق انضباط هندسي لا مهمة إنشاء. تسلسل الشد الخماسي، مع رصد قوى في الزمن الحقيقي وتحقق هندسي، استغرق 2-3 أيام لكل وحدة وتطلب فريقًا هندسيًا مخصصًا في الموقع. وتخطي هذه العملية أو تسريعها كان سيمسخ توزيع القوى في الهيكل وربما يسبب فشلًا.

ثالثًا، البحر المتطرف يتطلب تحققًا متطرفًا. اختبار نفق الريح والتحليل غير الخطي ورصد مقاييس الإجهاد وأنظمة الرفع المتزامن ليست رفاهية — إنها الصرامة الهندسية التي تجعل بحر 229 مترًا ممكنًا وموثوقًا. وكلفة هذا التحقق نحو 3-5٪ من الكلفة الكلية للمشروع؛ وكلفة فشل عند بحر 229 مترًا لا تُقاس.

لمزيد عن نظامنا الإنشائي للحزمة الوترية، زُر صفحة منتج هياكل الحزمة الوترية. ولتفاصيل المشروع الكاملة، راجع صفحة مشروع سقيفة فحم نينغشيا. ولمعرفة الهياكل الشبكية المكانية للبحور التي تكون فيها الخيار الصحيح، زُر صفحة منتج الشبكة الكروية المسمّرة.

الخلاصة

سقيفة الفحم 229 مترًا بنظام الحزمة الوترية تمثل تقاطع الابتكار الإنشائي وقدرة التصنيع وانضباط الإنشاء. وهي ليست أطول بحر بنيناه (فمحفظتنا تشمل جسورًا ومشاريع بنية تحتية ببحور أكبر)، لكنها أطول هيكل سقف ببحر صافٍ، والتحديات الهندسية التي طرحتها — الشد المسبق وحمل الريح ومرساة الأساسات والرفع المتزامن — تنطبق على أي مشروع هيكل فولاذي واسع البحر.

وإن كان مشروعك يتطلب هيكلًا فولاذيًا واسع البحر — سقيفة فحم أو صالة رياضية أو حظيرة طائرات أو منشأة صناعية — فاختيار النظام الإنشائي هو القرار الأول والأهم. ونحن نستطيع هندسة شبكات مكانية لبحور حتى 120 مترًا، وأنظمة حزمة وترية لبحور من 60 إلى 250 مترًا، وأنظمة هجينة تجمع مزايا الاثنين. اتصل بفريقنا الهندسي ببحرك وحملك ومتطلبات موقعك، وسنوصي بالنظام الصحيح لمشروعك — لا النظام الذي نفضل بناءه.