輸煤棧橋輕鋼結構若干問題的分析

聶會民

（河南省鄭州市熱力總公司，河南 鄭州 450003）

1 供熱系統輸煤棧橋的基本結構

長期以來，供熱系統的輸煤棧橋設計沒有專門的設計結構規范，而影響棧橋設計的因素很多，因此，實踐中棧橋的結構設計在布局搭建和選材上標準多重。

一般情況下，輸煤棧橋主要由基礎結構、支架結構、橋身結構、樓板和圍護結構等（屋面、側墻、窗等）組成。其中，基礎結構、樓板和圍護結構的設計屬于基礎工程，技術難點往往集中在支架結構和橋身結構上。如棧橋同一單元區段的支承結構為了防震，應使用同種材料。如果使用了不同種類的材料，支承結構間就必須設置防震縫隙。而防震縫隙的設置也需要符合特定的技術標準。

支架結構主要分為鋼筋混凝土結構、磚（石）柱結構和鋼結構三種，用于承受來自橋身的橫向和縱向荷載。支架是否穩定，直接決定了棧橋結構下部的寬度。當棧橋支架較高，跨度較大時，一般選用鋼支架。橋身結構主要有鋼筋混凝土結構和鋼結構。其中，鋼筋混凝土結構有桁架、墻梁、薄腹梁等，造價低，前幾年使用較廣泛。但是適用棧橋跨度小，靈活性差。鋼結構有網架結構和鋼桁架，其中鋼桁架材料強度高、自重輕，適用于大跨度棧橋結構，而且制作簡單、安裝方便。近來，熱電廠越來越多的在輸煤棧橋中采用鋼桁架結構。綜合來看，現階段，輸煤棧橋支架和橋身結構一般都選用鋼結構，其中橋身一般采用鋼桁架結構。鋼桁架結構中的技術要求較多，如圍護結構的側墻如果使用鋼桁架結構，則應在橋面、屋面桁架節點位置架設橫梁及水平支撐，與側墻的鋼桁架結構形成空間結構，以橫向穩定輸煤棧橋。同時，應根據棧橋全長設置上下弦水平支撐，以縱向穩定輸煤棧橋。

2 鋼桁架結構的比較分析

上世紀80年代，輸煤棧橋的鋼桁架一般都是采用角鋼桁架結構。但是，角桁架采用的是單軸對稱的雙角鋼截面，截面特性不能充分被發揮；而且角桁架存在陰角，防腐費用高昂；同時在施工上，角桁架現場焊接工作量大，漏焊現象頻發。

后來出現了空心球鋼管桁架結構。相比角桁架，空心球鋼管桁架用鋼量少，成本較低；施工上，節點形式簡單，安裝便利，便于維護。由于以上特點，空心球鋼管桁架結構被很多單位廣泛應用與煤炭棧橋結構中。

近年來，單榀桁架結構也備廣泛使用。單榀桁架設計中，上部支座通常采用沿桁架縱向滑動鉸支座，滑動鉸支座材料一般為滾軸或橡膠墊，以達到有效釋放溫度及其他位移。但是，在風荷載較大的情況下，單榀桁架存在不利因素，整體結構變形較大。

同時，在技術上，傳統的輸煤棧橋運用的都是運用分段式的鋼桁架結構，這種結構計算模型和受力分析簡單、制作和安裝方便。但是，分段式的鋼桁架用鋼量大，經濟成本較高。于是，近幾年來，研究機構和生產機構都加大了對技術過關、經濟成本較低的連續鋼桁架結構的研究。分段式鋼桁架結構受力上相當于簡支梁，采用兩端簡支的支座型式；連續式鋼桁架在受力上相當于連續梁，采用一端滑動、中間支座、一端鉸接的支座型式。采用連續式的鋼桁架比分段式的鋼桁架更能發揮材料的力學性能，結構桿件的受力更合理，選材也會更加經濟。可見，連續性鋼桁架具有整體性能好，空間剛度大，用鋼量少、抗震性能強等優點。但是，連續性鋼桁架在同一溫度內不分段，需分段制作、在空中拼接，施工難度大，需要臨時支撐。隨著鋼材價格逐步走高的趨勢，連續式鋼桁架結構的應用范圍會逐步擴大。

3 輕鋼結構的應用分析

3.1 基本含義

實踐中，輕鋼并不是結構較輕的字面意思，其與重鋼的區分在于所承受的圍護材料較輕，兩者的結構設計一致，實務中一般根據行車起吊重量、每平米用鋼量和主構件鋼板厚度綜合判斷。

理論上，鋼結構一般分為：重型構件（由熱軋型鋼或厚鋼板制成）和輕型構件（由冷彎型鋼或薄鋼板制成）。其中，重型構件也叫普通鋼；輕型構件也被成為輕鋼結構。

3.2 基本性能

輕鋼主要具有強度高、自重輕、整體變形能力強、可回收利用等特點，具有較強的抗震性、抗風性、耐久性、保溫性和可持續發展性，在國內外應用發展十分迅速，目前己成為發達國家主要的建筑結構形式。具體來說，主要具有以下優勢：

（1）強度高。輕鋼的強度較高，容重和屈服點比重小。（2）自重輕。輕鋼主體結構的含鋼量通常在25kg到80kg，基礎造價低。

（3）變形強。輕鋼設計理論先進，利用了屈曲后強度、塑性設計、優化設計等技術，其韌性和彈性較大，使用了具有抗剪抗扭效果的插條涉及，整體結構的穩定性被大大加強。

（4）環保節能。輕鋼安裝方便，運輸和搬遷也方便，材料可以回收利用，符合生態環境建設的大趨勢。

3.3 應用分析

3.1.1 應用理論分析

近年來，國內外對輕型鋼結構的研究，在理論和實踐上都取得了長足的進步。進度快，涉及范圍廣，在鋼結構發展歷史上都屬于罕見。隨著輕鋼結構中的圍護結構的配套產品相繼研發成功，輕鋼結構的應用在我國也迅速發展起來。

現在各科研單位和生產單位都先后加大對輕鋼結構的研究，主要情況有：

（1）結構。多層輕鋼結構一般采用框架結構，包括空間框架結構和平面框架結構。有時候，平面框架結構為了加強支撐和聯系，也會采用懸掛結構形式。主體結構設計上，主要通過空間有限元建模，作線性分析，綜合考慮在各種荷載作用下結構的強度、整體和局部穩定性等因素；如果結構側向剛度小或布置不規則，則需利用二階分析，確保安全。

（2）維護。輕鋼的維護一般使用輕質材料，如加氣混凝土砌塊，彩色鋼板、空心砌塊、壓型鋼、輕質保溫材料等組成的復合墻板（平面、表面為淺壓型和表面為深壓型）。輕鋼的輕型網架或輕型桁架上一般使用保溫彩色鋼板或有機玻璃。維護結構應具有如下優點：強度高、耐久性好、防火性好、隔熱性好、隔音性好、防結露和防潮濕性好。

3.1.2 輕鋼在輸煤棧橋鋼桁架結構中的應用

輸煤棧橋的鋼桁架一般是由上弦桿、下弦桿、端豎桿、端斜桿、豎腹桿、斜腹桿等主要受力桿件組成。在理想狀態下，鋼桁架各桿件均是受力軸心桿件。因此，桿件之間的連接方式即鏈接節點變的尤為重要，它傳遞構件間的剪力和彎矩，直接影響框架的承載力極限，構造形式還直接影響用鋼的數量。傳統上，輸煤棧橋鋼桁架根據強度和穩定來選擇桿件。考慮到桿件的制作成本大小、安裝便利與否以及防腐是否漸變。鋼桁架的上弦桿、下弦桿一般采用重型鋼，之間一般使用高強螺栓或焊接連接；端豎桿也適用重型鋼，以便可以和上弦桿以及下弦桿連接方便；豎腹桿、斜腹桿一般使用雙角鋼，并在節點處，采用節點板實現和上弦桿、下弦桿的連接。可見節點連接在輸煤棧橋鋼桁架結構中尤其重要。

輕鋼結構在節點上，即使連接節點的組成要素參數不同，但初始剛度計算結果基本在同一個數量級區域。可見，輕鋼結構的連接節點屬于半剛性連接節點，具有較大的轉動剛度和極限承載力。在設計節點時，如要實現可靠傳力，合理構造和較強的抗震性能，同時也需要方便施工，半剛性連接節點是很好的選擇。同時，輕鋼結構的連接節點初始剛度值與節點處的鋼翼緣和柱翼緣的厚度、及連接處豎向螺栓間距、梁截面的高度關系大，與節點處其他組成部分關系小。翼緣厚度增加，節點的轉動剛度、承載力都隨著提高。因此，在設計節點時，翼緣較薄的節點，在滿足高強螺栓連接規程的前提下，可以減小豎向螺栓間距來增加節點的極限承載力及轉動剛度。輕鋼結構梁柱連接節點柱翼緣較薄，應增加節點的極限承載力和轉動剛度。梁高度如果增加，則節點轉動剛度、承載力都會相應提高。同時，連接冀緣與柱翼緣的豎向螺栓間距大小變化時，節點的極限承載力和轉動剛度都會受到較大的影響。一般來說，豎向螺栓間距小，節點的極限承載力和轉動剛度大。一般來說，連接節點的組成對節點承載力和初始剛度的影響如下：輕鋼結構的連接節點是組合節點，其承載力由各組成要素共同決定，只有對組成要素進行調整和協調計算，才能得到合理經濟的連接節點。

鑒于以上分析，隨著我國經濟的快速發展，供熱擴容迅速，輕鋼結構在供熱的配套設施中的應用日益廣泛。而節點連接在輕鋼結構中至關重要，節點的特性直接影響輕鋼結構承受荷載的能力。因此，輕鋼結構在連接節點上的優勢使其成為目前國內外供熱研究單位研究較多的連接方式。如果能將輕鋼機構和輸煤棧橋在節點連接上的應用結合起來，必將對輸煤棧橋的優化建設起到較大的推動作用，也間接有利于供熱事業對的發展，意義重大。

4 結語

根據本文的分析，在供熱系統中，以熱源廠為主，輸煤棧橋的設計屬于非常重要的環節。輸煤棧橋主要采用鋼桁架結構，如果在鋼桁架結構的結構、選材和設計上能合理的使用新型的輕鋼結構，就可以實現輸煤棧橋安全可靠，并同時能降低成本，減少污染，促進供熱系統及其配套設施走上生態可持續發展的道路。當然，如何將輕鋼結構應用到供熱系統的輸煤棧橋鋼桁架中去，需要不斷的理論研究和實踐檢驗，技術合格是最基本的要求。

[1]錢麗霞.輸煤棧橋結構中主要構件的設計[J].大氮肥，2012，(10).

[2]韓寶峰，吳靜.鋼管桁架輸煤棧橋結構分析[J].科學之友，2010，(3).