全封閉煤場大跨度鋼結(jié)構(gòu)棧橋的優(yōu)化設(shè)計簡介

劉永鋒

（華電重工股份有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450000）

引言

近年來，在電力、鋼鐵、水泥等行業(yè)中，煤、鐵精粉、礦石等原料的大批量貯存正逐漸由大直徑環(huán)保封閉圓形貯料倉結(jié)構(gòu)替代簡單的露天堆放形式，隨著貯存量的需求不斷提升，圓形貯料倉的直徑也需要不斷加大，從而導(dǎo)致了鋼結(jié)構(gòu)進料棧橋的跨度也越來越大，這對設(shè)計工作者來說是個必須要克服的難題。

1 工程簡介

燃煤電廠建設(shè)中，輸送棧橋是主要的輔助生產(chǎn)構(gòu)筑物之一。某電廠工程中，除了圓形貯煤倉之外，在其周邊還設(shè)有輸煤轉(zhuǎn)運站、輸煤棧橋等重要建（構(gòu)）筑物和循環(huán)水管等地下管線[1]。貯煤倉的設(shè)計堆貯能力201500m3，堆料高度為33.1m，鋼筋混凝土圓形料倉直徑為120m、擋墻高度為17m，料倉沿圓周均勻的設(shè)置扶壁柱。該貯煤倉膠帶機進料棧橋總長約101m，其單跨最大達到72m。該輸煤棧橋作為煤料的唯一通道，其重要性是不言而喻的。工程情況如圖1所示。

圖1 120m直徑圓形料倉進出倉棧橋布置總圖

2 進倉鋼棧橋的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計優(yōu)化所采取的具體措施

鋼結(jié)構(gòu)棧橋常規(guī)設(shè)計中，往往存在棧橋體系不十分合理、結(jié)構(gòu)形式粗笨、計算采用平面桁架計算以及用鋼量較高等問題，

這種情況下棧橋的整體受力不明確，同時整體美觀性也受到一定影響[2]。在本工程中我們針對性地對設(shè)計方案做了如下優(yōu)化處理：

2.1 計算模型的定型和優(yōu)化

傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)棧橋計算一般采用PKPM中的STS等進行平面桁架計算，所有的荷載均簡化到平面桁架節(jié)點上，計算時假定全部構(gòu)件為軸心受力構(gòu)件，并且不考慮結(jié)構(gòu)次彎矩對整體結(jié)構(gòu)的影響，因此計算模型存在一定的缺陷[3]。本工程計算模型采用空間三維整體建模，忽略各節(jié)點處的轉(zhuǎn)角約束，將棧橋自重和外部荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點荷載添加在棧橋沿線；由于該棧橋跨度較大，為了保證其各個方向的穩(wěn)定性，在桁架的上平面和下平面均設(shè)置了連接橫梁及水平支撐，連接橫梁同時作為承擔(dān)附屬結(jié)構(gòu)的主構(gòu)件。

本工程中鋼棧橋距地面較高，考慮到減少風(fēng)荷載和地震荷載對棧橋本身的不利影響，設(shè)計中在鋼棧橋的橫向斷面適當(dāng)高度處設(shè)置了橫向立面支撐體系，大大加強了棧橋的整體抗側(cè)穩(wěn)定性，詳見圖2。

圖2 鋼棧橋橫向布置圖

2.2 鋼棧橋所要考慮的荷載類型

任何建構(gòu)筑物都必須保證在其結(jié)構(gòu)的正常使用周期內(nèi)，具有足夠的承載能力。作為結(jié)構(gòu)計算的基本信息，在該棧橋計算參數(shù)的輸入中考慮了以下幾種荷載類型：恒荷載12kN/支點（計算軟件自動考慮棧橋本身的自重，放大系數(shù)取1.2）；棧橋頂面活荷載0.5kN/m2；棧橋樓面工藝活荷載4kN/m2（豎向荷載中對棧橋影響最大的）；風(fēng)荷載基本風(fēng)壓值0.45kN/m2；屬于B類地區(qū)；基本雪壓值0.4kN/m2；地震荷載按照7度設(shè)防，II類場地土，采用振型反應(yīng)譜法；荷載組合采用自動組合。

2.3 鋼棧橋的空間布置

進料膠帶機結(jié)構(gòu)主要包含桁架、支柱以及附屬結(jié)構(gòu)等。在倉外設(shè)置一個固定支柱用以承擔(dān)桁架的豎向力和水平方向的力。鋼棧橋與倉內(nèi)中心立柱頂和倉外轉(zhuǎn)運站相搭接，并且搭接處采用滑動支座以減少棧橋?qū)χ行牧⒅娃D(zhuǎn)運站的不利水平作用力。由于棧橋離地面很高且棧橋迎風(fēng)面很大，因此棧橋所受風(fēng)荷載很大，這樣導(dǎo)致了固定支架產(chǎn)生巨大的上拔力，對基礎(chǔ)影響比較大。為此，在設(shè)計中將固定支柱橫向柱腳間距做了適當(dāng)擴大，從而有效降低了基礎(chǔ)的上拔力，較好解決了基礎(chǔ)因為受力較大而難于設(shè)計的問題。

由于在棧橋內(nèi)部要進行膠帶機的零部件檢修和維護等工作，必須要留出足夠的人員通行和設(shè)備施工空間，不便于設(shè)置橫向大角度交叉撐，因此，我們考慮在每組豎腹桿之間一定的高度處設(shè)置了由小型鋼組成的橫向鋼片，這些橫向鋼片提高了整個棧橋的橫向抗側(cè)剛度，有效減小了棧橋的橫向位移。

棧橋整體采用平行弦式結(jié)構(gòu)，縱向弦桿采用H型鋼，端部框架也采用H型鋼，水平支撐采用方鋼管，棧橋兩側(cè)面斜腹桿采用方鋼管、對稱布置，鋼支柱及柱間支撐采用焊接圓管。

2.4 設(shè)計過程中所采用的各種優(yōu)化措施

2.4.1 連續(xù)桁架的優(yōu)勢和選用

國內(nèi)多數(shù)的鋼棧橋設(shè)計都是簡化為平面結(jié)構(gòu)計算，這種設(shè)計方法忽略了次彎矩的存在，未能使每個組成構(gòu)件充分發(fā)揮其本身的材料特性，故與實際存在一定的偏差。該項目采用了連續(xù)桁架形式，棧橋弦桿和腹桿桿件內(nèi)力比著簡支桁架普遍能小20%～30%，直接反映在構(gòu)件上就是截面有所減小。這表明，連續(xù)桁架能夠使得桁架內(nèi)力在主弦桿和腹桿間進行重分配，改善了受力形式，每個構(gòu)件均能協(xié)同工作，節(jié)省了用鋼量，節(jié)省了項目成本。

2.4.2 鋼桁架的桁高選取

國內(nèi)常見的棧橋高跨比一般定為1/12～1/10，而該棧橋取為了h/l=1/15；棧橋高度在滿足工藝膠帶機凈空要求的前提下設(shè)置了橫向桁架，大大改善了橫向剛度，使結(jié)構(gòu)側(cè)向變形減少；弦桿的間距一般取為3m，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》“當(dāng)桿件為H型、箱型等剛度較大的截面，且在桁架平面內(nèi)的桿件截面高度與幾何長度之比大于1/10（對弦桿）或大于1/15（對腹桿）時，應(yīng)考慮節(jié)點剛性所引起的次彎矩”[4]，對此在空間分析中，我們將弦桿設(shè)計為“拉壓彎構(gòu)件”以及節(jié)點板設(shè)計為半剛性節(jié)點來考慮次彎矩的影響，這樣的設(shè)計更加合理。

2.4.3 棧橋樓面選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計

通常情況下，大跨度鋼棧橋樓面所選用的是底模為1.2mm厚的壓型鋼板的混凝土樓面，造成樓面自重大以及鋼耗量比較大。在本工程中，鋼棧橋下平面距地面約39m，如采用常規(guī)的澆筑混凝土的工藝，勢必要相應(yīng)加大對工藝和設(shè)備的要求，同時也會大大增加人力、物力成本。因此為施工方便考慮，本次工程中將樓面材料改用為滿鋪6mm厚的花紋鋼板，采用現(xiàn)場焊接方式進行施工。這種樓面形式自重小，僅為混凝土樓板的1/5，下部橋體的耗鋼量也隨之降低，且現(xiàn)場安裝簡單，不需要大型設(shè)備，施工現(xiàn)場整齊有序、時間短，比混凝土橋面節(jié)約一半的施工時間[5]。

3 優(yōu)化設(shè)計產(chǎn)生的技術(shù)經(jīng)濟效益分析

工程實踐中，在首先保證結(jié)構(gòu)受力合理明晰、滿足實際使用要求、施工方案安全可行的前提下，經(jīng)濟性是必須要重點考慮的因素。本工程對比采用了連續(xù)桁架方案，使得桁架內(nèi)力在主弦桿和腹桿間進行重分配，改善了受力形式，每個構(gòu)件均能協(xié)同工作，節(jié)省了用鋼量，節(jié)省了項目成本。

在設(shè)計中，將固定支柱橫向柱腳間距做了適當(dāng)擴大，從而有效降低了基礎(chǔ)的上拔力，較好解決了基礎(chǔ)因為受力較大而設(shè)計成大尺寸、深基礎(chǔ)的難題，相應(yīng)節(jié)約了基礎(chǔ)混凝土的用量。

常規(guī)設(shè)計中，棧橋高跨比一般取為1/12～1/10，而本工程取到1/15，在保證工藝合理要求凈空的前提下，使得棧橋高度由6m減小到了5.15m。材料成本在鋼結(jié)構(gòu)主體建設(shè)工程當(dāng)中往往占了最大比重，該項目通過合理的設(shè)計優(yōu)化棧橋高度，相應(yīng)減少了腹桿的用鋼量，為項目節(jié)約了材料成本。

由于進倉鋼棧橋的大部分都位于倉體內(nèi)部，我們針對性地折減了附屬結(jié)構(gòu)自重和風(fēng)荷載的作用，使得棧橋受力更接近實際情況，同時也相應(yīng)～減小了對中心立柱和轉(zhuǎn)運站的搭接作用力。

4 結(jié)論

在實際分析設(shè)計中采用Staad Pro三維軟件進行整體分析，將弦桿設(shè)計為“拉壓彎構(gòu)件”以及節(jié)點板設(shè)計為半剛性節(jié)點來考慮次彎矩的影響，更真實的反應(yīng)了桁架的實際受力狀態(tài)，確保了棧橋設(shè)計的安全性、適用性、經(jīng)濟性以及合理性。

在滿足工藝空間要求的前提下，我們在大跨度棧橋橫向的上部補充設(shè)置了平面桁架，增強了桁架本身的抗扭剛度，減小了棧橋的整體側(cè)向位移。同時減小了腹桿的計算長度，對整體的結(jié)構(gòu)受力有很大的改善，相應(yīng)的也減少了工程量。

為減小風(fēng)荷載對棧橋柱底的不利影響，設(shè)計中適當(dāng)增大了支柱橫向柱腳間距，減小了對于基礎(chǔ)的上拔力，節(jié)約了基礎(chǔ)混凝土的用量，取得了一定的經(jīng)濟效益。

鋼結(jié)構(gòu)樓面由傳統(tǒng)的鋼模板加混凝土層組合方式調(diào)整為花紋鋼板形式，大大減輕了作用于棧橋下平面的恒荷載，更加能夠有效減小棧橋弦桿截面，降低用鋼量，使得項目取得了較好的經(jīng)濟效益。

優(yōu)化后的貯煤倉進倉鋼棧橋，不僅滿足了工藝等專業(yè)的功能上的各項要求，同時也節(jié)約了材料成本，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟效益。本文針對日益增加的大跨度鋼棧橋設(shè)計，結(jié)合實際項目，總結(jié)提出了一些設(shè)計經(jīng)驗，可供設(shè)計工作者參考。

[1]陳正彬.火電廠全封閉煤場大跨鋼結(jié)構(gòu)棧橋優(yōu)化設(shè)計[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2010（S1）.

[2]李玉蘭.鋼結(jié)構(gòu)棧橋設(shè)計中的一點體會[J].煤炭工程，2005（9）：15-16.

[3]姜云莆.漳州后石電廠全封閉圓形煤場大跨度進倉棧橋設(shè)計簡介[J].四川建筑，2002（22）：51-53.

[4]GB5007-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[5]徐蕓.90m直徑圓形貯煤倉進煤大跨度鋼棧橋設(shè)計優(yōu)化[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工業(yè)版），2007（40增刊）.