空間鋼管桁架皮帶廊設計與優化

孫 健

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001)

空間鋼管桁架皮帶廊設計與優化

孫 健

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001)

介紹了空間管桁架作為架空皮帶的承重體系，受力合理，節省用料的特點，通過計算研究實際工程中空間鋼管桁架皮帶廊結構體系，分析了其受力性能，并給出合理優化桿件截面設計建議，同時研究了相同外部條件下，不同跨度鋼管桁架的用鋼量，比較出優化跨度，為實際工程應用提供參考。

空間管桁架，PMSHARP，桁架跨度，高度

0 引言

長距離架空皮帶運輸系統，在工業設計中經常出現，而且隨著工業現代化發展，皮帶運輸距離也隨之增加，并經常需要跨越一些高度較大的生產裝置，建(構)筑物。所以為了配合工藝需要，設計了一種空間管桁架皮帶廊結構(如圖1所示)，該結構形式可以做到較大跨度，較高支架高度，從而減少了支架用量。因此合理輕便的結構形式，不但能大幅度降低工程投資，還能美化廠區視覺效果，值得設計者多花心思考慮。空間桁架配合空間管支架設計，因其空間受力性能合理、結構輕便、安裝制作簡單、施工方便、造型美觀等優點廣受設計者及業主的青睞。

1 桁架截面尺寸及構造

桁架截面尺寸，主要取決于桁架跨度及工藝需求，一般桁架高度h取跨度的1/17～1/12，其中高度h取1/15跨度比較經濟。桁架的寬度主要取決于工藝對皮帶廊凈寬的要求。另外桁架腹桿與弦桿之間夾角宜在35°～55°之間。

為了使桁架節點受力較好，保證節點連接焊縫質量，設計時宜盡量使弦桿的直徑與豎向斜腹桿直徑的比接近或大于2，而且弦桿與斜桿的壁厚比值t0/t1也宜盡量大一些，一般在2.0左右，而且隨著桁架跨度的加大該比值也宜隨之加大。弦桿本身直徑與壁厚的比值d0/t0一般在20～30之間。為了提高結構的抗腐蝕能力，桿件的壁厚不宜小于4 mm。

2 桁架與支架的布置

桁架與支架的布置首先取決于工藝的布置及場地的要求，支架的高度與間距要跨過建(構)筑物并保證安全距離，同時又要避開廠區道路設置。在基本要求滿足的基礎上，就要綜合考慮管桁架的合理跨度與支架優化形式。桁架的支架主要作為桁架的承重構件，對于大跨度高度較高的皮帶廊體系，支架設計的安全合理尤為重要。當支架高度較小時，一般10 m以下，可以考慮采用雙實腹柱單片滑動支架，為確保皮帶廊結構的空間穩定可在間距60 m～70 m左右設置四柱固定支架。當管架高于10 m,雙實腹柱滑動支架計算上很難保證結構的安全穩定性，所以本文介紹一種雙格構柱滑動支架，當支架高度較高時，滑動支架宜按柔性支架設計，即通過計算柱頂位移反推各桿件內力。同樣為了保證皮帶廊縱向的穩定性，宜將固定架及滑動架交叉布置，具體布置方式參見圖2。

3 不同跨度桁架支架的計算分析

3.1 設計條件

工藝條件：氧化鋁輸送系統氣墊帶式輸送機，皮帶加物料荷重7.5 kN/m，皮帶廊平臺荷載3 kN/m2，皮帶坡度為1°,寬度為3.60 m。皮帶廊高度約30 m,總長約為300 m。

自然條件：抗震設防烈度為8度，基本風壓：0.70 kN/m2。

3.2 皮帶廊系統設計

由于皮帶桁架高度較大，本設計采用雙格構柱滑動支架與四柱固定支架相結合的皮帶桁架支撐系統。桁架跨度分別取40 m，50 m，60 m，其中50 m跨度桁架支架布置圖如圖2所示，但圖中僅表示出220左右的皮帶廊長度，剩余部分布置方式以此延續。整個皮帶廊材料采用Q235B級鋼材。

桁架截面：40 m跨度桁架高度3.0 m,50 m跨度桁架高度約為3.30 m,60 m跨度桁架高度約為4.00 m。桁架的寬度均為3.6 m。桁架弦桿及腹桿截面均采用圓鋼管。

支架截面：雙格構柱滑動支架格構柱截面雙鋼管肢距為1.8 m,垂直皮帶方向平面內采用A字形布置，頂部寬度3.6 m,底部寬度為5.00 m。四柱固定支架在沿皮帶方向支架上下柱距相同為5.00 m，垂直皮帶平面內也同樣采用A字形布置，頂部寬度3.6 m,

底部寬度為5.00 m，支架柱及支撐截面均采用圓鋼管。

3.3 皮帶廊系統計算分析

計算采用PMSHARP空間建模分析，考慮空間桁架折減擋風系數下的風荷載及地震荷載。計算結果用鋼量見表1。

表1 空間管桁架材料量統計表

從表1中可以看出，隨著桁架跨度的增加皮帶廊支架的用鋼量沒有變化，單榀空間三角桁架的用鋼量增加非常明顯。這主要是因為當桁架支架高度大于15 m時，由于支架高度較高，支架主要受剛度限制(高寬比及桿件長細比限制)，支架受強度限制影響較小，所以當空間管桁架跨度發生改變，即作用在支架上的荷載發生變化時，單個支架用鋼量改變不大。當支架高度為30 m左右時，單個固定支架用鋼量約22.5 t；單個滑動支架用鋼量約為15 t。而空間三角桁架作為雙向受力的梁式結構，隨著跨度的增加用鋼量增加非常明顯。為了更直觀分析桁架跨度對皮帶廊結構總體用鋼量的影響，本文給出了皮帶廊結構系統的單位用鋼量，即折算皮帶廊系統的每延米用鋼量，既包括桁架又包括支架。由表1中數據可以看出，隨著空間管桁架跨度的增加，皮帶廊系統的用鋼量有所增加。這主要是由于皮帶架空高度較大，受風荷載影響較明顯。隨著管桁架跨度的增加，為了保證桁架本身有足夠的剛度，就必須增加管桁架的截面高度及桁架鋼管的直徑，這樣增加了管桁架的受風面積，使桁架受風荷載的影響進一步加大，促使隨著桁架跨度增加，皮帶廊系統單位用鋼量有增長的趨勢。

4 結語

1)通過工程上的比較及反饋來看，空間三角形鋼管桁架無論從用料經濟性，現場美觀性還是施工的方便性來看，較傳統的雙片角鋼矩形桁架空間結構都有著較明顯的優勢，值得在工程上推廣。2)從皮帶廊結構系統的合理布置角度來看，盡量不要將空間三角桁架跨度設置過大。考慮到現場實際制作安裝要求，當管桁架跨度大于40 m時，將會給桁架吊裝和運輸上帶來不便，而且結構經濟性也有所下降。所以當條件允許時盡量不要采用大跨度管桁架，既不節省用鋼量，也不便于制作安裝。當然當管桁架跨度過小，支架的數量上有所增加，總體來看皮帶廊結構系統用鋼量也會上升。所以合理選擇桁架跨度及支架形式尤為重要。

[1] 張榮山.特種鋼結構設計與施工[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[2] 《鋼結構設計手冊》編輯委員會.鋼結構設計手冊[M].第3版.北京：中國建筑工業出版社，2004.

[3] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

Design and optimization of space steel tube truss belt conveyer corridor

Sun Jian

(ShenyangAluminumMagnesiumDesignResearchInstituteLimitedCompany,Shenyang110001,China)

Space steel tube truss as the bearing system of the conveyer corridor whose load-bearing is reasonable and material is saving. The paper analyzes the stress mechanism, optimize the member section and put forward the design advice, through calculating and studying the structure of space steel tube truss belt conveyer corridor. Study the steel consumption of the space steel tube truss having different span in the same outside condition, give the reference to the practical project.

space steel tube truss, PMSHARP, span of the truss, height

1009-6825(2015)02-0037-02

2014-11-03

孫 健(1982- )，男，碩士，工程師

TU391

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