長(zhǎng)距離輸送鋼棧橋的設(shè)計(jì)

潘 灃

(中國五環(huán)工程有限公司,湖北武漢 430223)

棧橋是工業(yè)建筑中的一種常用的結(jié)構(gòu)形式,作為工廠運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分,承擔(dān)著運(yùn)送原料和成品的任務(wù)。近年來,隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展,工礦企業(yè)規(guī)模急速增大,鋼結(jié)構(gòu)棧橋以其結(jié)構(gòu)自重輕,材料強(qiáng)度高,整體性好,施工周期短,在長(zhǎng)距離輸送大跨度棧橋建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。尤其是高度為15～20 m的棧橋,還具備造價(jià)低,抗震性好,建設(shè)速度快的特點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)棧橋的型式越來越向大、高、重的方向發(fā)展。筆者根據(jù)近年來在化工項(xiàng)目鋼棧橋設(shè)計(jì)中的實(shí)踐,對(duì)設(shè)計(jì)中的若干問題作如下探討。

圖1 棧橋縱向結(jié)構(gòu)體系

1 棧橋結(jié)構(gòu)體系

目前,國內(nèi)大跨度輸煤棧橋由中間支架和縱向跨間結(jié)構(gòu)組成,其結(jié)構(gòu)形式一般是支架縱向采用排架、橫向采用框架(帶支撐),縱向跨間結(jié)構(gòu)采用鋼桁架的結(jié)構(gòu)體系。但隨著支架數(shù)的增加,棧橋的縱向穩(wěn)定性會(huì)降低,故在長(zhǎng)距離輸送棧橋設(shè)計(jì)中,當(dāng)棧橋分隔區(qū)段的長(zhǎng)度≥50 m時(shí),應(yīng)在跨間適當(dāng)位置布置一座四柱式框架結(jié)構(gòu)(帶支撐)。其結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

2 棧橋結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)

一般棧橋平面形狀呈細(xì)長(zhǎng)條形,立面上縱向傾斜或水平。為了保證棧橋縱向體系的穩(wěn)定,通常在低側(cè)設(shè)不動(dòng)鉸接支座(固定端),承受豎向荷載和縱向地震作用;在高側(cè)設(shè)滑動(dòng)支座,保證在縱向地震作用下的位移變形。在跨間設(shè)置的四柱式框架(帶支撐)作為承擔(dān)縱向地震作用,這兩種抗震方式的組合使用,可提高長(zhǎng)距離棧橋結(jié)構(gòu)體系的縱向穩(wěn)定性。

布置棧橋支架時(shí),在滿足施工安裝條件下,宜盡量加大跨距,縱向桁架的跨度一般不宜小于支架的高度。鋼材消耗最少的桁架其h/L=1/10～1/12(h為桁架高度,L為桁架跨度),通常桁架高度為2.5～3.0 m,最經(jīng)濟(jì)跨度為30～36 m。使多榀桁架跨度相等,減少桁架的規(guī)格,盡量按經(jīng)濟(jì)跨度設(shè)置,還可以方便金屬結(jié)構(gòu)廠加工制作、減少設(shè)計(jì)工作量。在同一條棧橋中,非標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)的跨度宜調(diào)整在棧橋的端跨。綜上所述,應(yīng)盡量考慮將桁架的跨度布置一致或接近一致。

3 棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 桁架形式及計(jì)算

3.1.1 桁架的結(jié)構(gòu)形式

平行的鋼桁架作為縱向承載結(jié)構(gòu),也作為側(cè)維護(hù)結(jié)構(gòu)的骨架,承受上下鋼橫梁傳遞的豎向荷載。縱向鋼桁架是由上下弦桿和腹桿組成,上下弦桿為連續(xù)桿,腹桿通過節(jié)點(diǎn)板與上下弦桿連接。上下弦鋼桁架節(jié)點(diǎn)處設(shè)置水平支撐及橫梁,形成水平桁架,傳遞水平荷載。棧橋端門架就是桁架的支承,將主桁架的水平作用力通過端門架傳向下部的支座,并保證棧橋的橫向剛度及穩(wěn)定。所以,設(shè)計(jì)時(shí)必須保證梁、柱連接點(diǎn)為剛接。端門架的橫梁及立柱通常選用 H型鋼。棧橋兩側(cè)及屋面通常采用輕型面板封閉,棧橋結(jié)構(gòu)體系實(shí)際上就是一個(gè)由受力桁架和上、下弦水平支撐桁架組成的平面交叉桁架,最后發(fā)展為空間桁架體系(見圖2),這種空間桁架的材料利用率高,應(yīng)力水平高,故在大跨度、大空間結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。

3.1.2 桁架內(nèi)力計(jì)算及截面選擇

主桁架承受的荷載主要為通過橫梁傳來的屋面及樓面荷載和支撐的自重。內(nèi)力分布為:上弦桿受壓,且由端部向中部逐漸增大,下弦桿則由端部受壓向中部受拉漸變,端部腹桿受力大于跨中腹桿,可以理解成“掏空”的梁,主桁架截面通常是由兩個(gè)等肢角鋼組成或者為 H型鋼。主桁架腹桿一般采用雙角鋼或雙槽鋼。門架通常做成兩鉸門形剛架,梁及柱均按壓、彎構(gòu)件計(jì)算,同時(shí)其端門架立柱也是承重桁架的組成部分,立柱截面的選擇必須考慮兩者的內(nèi)力組合。

圖2 空間桁架體系

3.2 支架形式及計(jì)算

(1)棧橋支架一般可以采用鋼筋混凝土支架和鋼支架,棧橋的桁架可以直接坐落在支架上,也可以直接坐落在建筑物上,多跨棧橋支承位于特設(shè)的中間支架上。棧橋的中間支架可分為平面支架和空間支架。平面支架(如圖3)可以看作一個(gè)豎起來的桁架,它的上下弦桿就是支架的立柱,直接承受棧橋桁架的反力,其桿布置在支架平面內(nèi),立柱可以是豎直的。當(dāng)支架抗傾覆不能滿足要求或支架基礎(chǔ)過大時(shí)(如跨間結(jié)構(gòu)跨度較大、支架較高時(shí)),也可以是斜放的(如圖4),其在風(fēng)載或水平力作用下有較好的側(cè)向穩(wěn)定性,但支架的上部應(yīng)與棧橋的寬度相同,以利棧橋桁架直接坐落在立柱上。為避免棧橋的側(cè)向變形過大,在跨間適當(dāng)?shù)奈恢脩?yīng)設(shè)置一些空間支架。多跨棧橋的支架,當(dāng)不能利用兩端建筑物或平面支架過高不能作為不動(dòng)支架時(shí),應(yīng)設(shè)置一個(gè)空間支架,并綜合考慮緊裝置的部位。鋼支架的立柱,一般可采用工字形截面或組合截面。

(2)現(xiàn)在通常用PKPM系列的STS鋼結(jié)構(gòu)軟件對(duì)棧橋體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算時(shí),需對(duì)支柱和上部桁架分別建模計(jì)算。在進(jìn)行支柱分析計(jì)算時(shí),我們?cè)谠O(shè)計(jì)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化,沿棧橋縱、橫兩個(gè)方向分別建立平面桿系模型計(jì)算,縱向?yàn)閮砷矫媾偶芙Y(jié)構(gòu),橫向?yàn)槿舾砷蚺偶芙Y(jié)構(gòu)。

圖3 平面支架(形式a)

圖4 平面支架(形式b)

3.2.1 縱向結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)計(jì)算及構(gòu)造

縱向計(jì)算模型如圖5所示,取棧橋支柱及桁架建模,把桁架定義為慣性矩很大剛性桿件,將棧橋面以上的恒載、活載的一半均布到各剛性桿上,剛性桿與支柱的節(jié)點(diǎn)設(shè)為鉸接點(diǎn),各支柱上端鉸接,下端與基礎(chǔ)剛接。

圖5 棧橋縱向計(jì)算模型

一般棧橋支柱高度相對(duì)較高,其截面尺寸的確定大多由平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力比或長(zhǎng)細(xì)比控制,通過大量計(jì)算的比較,只要長(zhǎng)細(xì)比控制得當(dāng),穩(wěn)定性一般都能滿足。支柱平面內(nèi)穩(wěn)定性應(yīng)滿足 N/ (φA)≤f,其中,φ為支柱的軸壓桿穩(wěn)定系數(shù),根據(jù)支柱的長(zhǎng)細(xì)比、鋼材屈服強(qiáng)度,支架在平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)μ按如下原則確定(見表1)。空間支架布置柱間支撐宜采用剛性支撐,若水平位移值小于1/1 000,這時(shí)側(cè)移的影響可以忽略,可按無側(cè)移框架柱確定計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。否則,不論有無支撐均按有側(cè)移計(jì)算。

表1 管架柱縱向(軸向)計(jì)算的長(zhǎng)度系數(shù)(μ)

3.2.2 橫向結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)計(jì)算及構(gòu)造

棧橋橫向計(jì)算模型如圖6所示,取各榀支柱PK分別建模,將支柱上部棧橋橋面以上的恒載、活載、風(fēng)荷載等布置導(dǎo)算到支柱上。在計(jì)算風(fēng)荷載時(shí),由于棧橋結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn),主要承受風(fēng)荷載部位是棧橋支柱頂部,而棧橋自重相對(duì)較輕,棧橋高側(cè)高度較高,因此對(duì)風(fēng)荷載比較敏感,基本風(fēng)壓應(yīng)適當(dāng)提高,同時(shí)應(yīng)計(jì)算風(fēng)振系數(shù)。計(jì)算過程中,可通過調(diào)整橫梁截面尺寸及橫梁間距,控制支柱長(zhǎng)細(xì)比,保證側(cè)向剛度規(guī)則。支柱的柱間支撐通常采用中心支撐體系,包括十字交叉支撐、單斜桿支撐、人字形支撐和 K形支撐等,盡量采用十字交叉支撐,因其可按拉桿設(shè)計(jì),容易滿足長(zhǎng)細(xì)比要求,較經(jīng)濟(jì)。同一榀支柱之間自上而下宜選用一種支撐類型,以使側(cè)向剛度和內(nèi)力分布不出現(xiàn)突變。

橫向地震作用及風(fēng)荷載由支架及支座分別承擔(dān),橫向水平地震荷載應(yīng)考慮棧橋總體質(zhì)量重心與剛度中心不重合而引起的扭轉(zhuǎn)(當(dāng)支架剛度相等,跨度布置均勻或相差10%以內(nèi)時(shí),可不考慮)。

3.2.3 計(jì)算時(shí)要注意把握以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

(1)桁架結(jié)構(gòu)支座桿的模擬。桁架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型為一邊簡(jiǎn)支,一邊固定。STS模型輸入時(shí)應(yīng)將桁架兩頭的節(jié)點(diǎn)包括桁架下的支座桿均設(shè)置為鉸支座,否則計(jì)算內(nèi)力有誤。

圖6 棧橋橫向計(jì)算模型

(2)桁架結(jié)構(gòu)模型中所有桿件應(yīng)設(shè)置為柱,所有受力應(yīng)作用在上下弦節(jié)點(diǎn)位置。

(3)結(jié)構(gòu)計(jì)算中,上下弦桿平面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)一般保持為-1,平面外計(jì)算長(zhǎng)度取水平支撐的距離。

(4)分析桁架桿件內(nèi)力時(shí),可將節(jié)點(diǎn)視為鉸接。對(duì)用節(jié)點(diǎn)板連接的桁架,當(dāng)桿件為 H型鋼剛度較大的截面,且在桁架平面內(nèi)桿件截面高度與其幾何長(zhǎng)度(節(jié)點(diǎn)中心間的距離)之比大于1/ 10(對(duì)弦桿)或大于1/15(對(duì)腹桿)時(shí),應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)剛性所引起的次彎矩。

(5)平面鋼桁架斜腹桿宜盡量設(shè)計(jì)為拉桿,充分發(fā)揮鋼材的受拉特性,節(jié)省鋼材。

4 棧橋支座(桁架與支架的連接)設(shè)計(jì)

對(duì)傾斜放置的棧橋,可動(dòng)支座(滾動(dòng)支座、滑動(dòng)支座)布置在棧橋的上方,鉸支座布置在棧橋的下方。橋跨大于35 m時(shí),不能再采用滑動(dòng)支座,應(yīng)采用滾動(dòng)支座。滾動(dòng)支座可分為單輥和多輥支座,單輥支座直徑不小于150 mm,多輥支座直徑不小于40 mm,在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)桁架的支座反力選用支座。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范,多輥支座的反力R應(yīng)滿足下列要求:

R≤(40ndL f)2/E

式中,d為輥軸直徑;n為軸數(shù)目;L為輥軸與平板的接觸長(zhǎng)度。

支座節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足計(jì)算假定,通常斜桁架下部支座節(jié)點(diǎn)可設(shè)計(jì)成固定鉸支座,而中部和上部支座節(jié)點(diǎn)可設(shè)置成沿桁架長(zhǎng)向可滑動(dòng)的支座,這樣可避免在地震或其他偶然荷載作用下,由于桁架兩端建筑位移大小、方向不一致而引起的破壞。通常可在中部和上部支座下加設(shè)橡膠墊板以滿足計(jì)算假定,但應(yīng)注意的是,在承重桁架的平面外,應(yīng)采取措施,保證支座與下部支承結(jié)構(gòu)間不能產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng),以保證結(jié)構(gòu)的整體安全。

5 結(jié) 語

普通鋼棧橋在工業(yè)建(構(gòu))筑物中有著廣泛的應(yīng)用。特別是長(zhǎng)距離輸送棧橋,工程量大,投資多且與場(chǎng)地的布置密切相關(guān),設(shè)計(jì)中既要保證結(jié)構(gòu)安全,又要適當(dāng)考慮整齊美觀,合理布置。正確地選擇棧橋結(jié)構(gòu)形式和跨距可以簡(jiǎn)化棧橋設(shè)計(jì),滿足桁架的支撐和支架的限位要求,取得較好的綜合經(jīng)濟(jì)效果。