某大跨度運煤棧橋的結構選型與設計

侯海鵬

（煤炭工業太原設計研究院，山西太原　030001）

?

某大跨度運煤棧橋的結構選型與設計

侯海鵬

（煤炭工業太原設計研究院，山西太原030001）

摘要：結合具體工程案例，對運煤棧橋的結構選型進行分析，通過與其他結構形式進行比較，提出了鋼管空心球節點桁架的優勢，并對其在設計中的重點和難點進行了闡述，為類似工程設計提供借鑒。

關鍵詞：桁架，棧橋，端門架，支座

1　工程概況

該工程為某焦化廠運煤棧橋，位于甘肅省酒泉市。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0. 15g，設計地震分組為第二組。基本風壓為0. 5 kN/m2，基本雪壓為0. 3 kN/m2，建筑物場地土類別為Ⅱ類。運煤棧橋為破碎樓至煤塔，全長分為四段16 m + 18 m +30 m +30 m，最高標高為29. 800 m，寬度為3. 5 m，傾斜角度為18°。以下主要論述30 m跨度棧橋的選型與設計。工程樓面采用120 mm厚鋼骨架輕型板，屋面及墻身采用100 mm厚夾芯彩板，上下弦桿采用無縫鋼管，焊接空心球。

2　棧橋結構形式的確定

2.1輸煤棧橋的特點及組成

焦化廠輸煤棧橋具有跨度大、高度高、節點多且復雜、型式多樣等特點。不同于其余構筑物，由于輸煤工藝的特殊要求，其平面呈細長型，立面一般為傾斜型式。棧橋主要由跨間承重結構，支架結構及圍護結構組成。

跨間承重結構形式主要有鋼筋混凝土結構、角鋼桁架、型鋼桁架、鋼管桁架、網架結構等形式。支架形式主要有鋼筋混凝土框架結構，鋼框架結構，鋼管混凝土結構，砌體結構等。

2.2結構形式的確定

支架柱高超過20 m，地質條件不好，恒荷載大，施工吊裝條件有限，跨度在24 m～36 m時綜合考慮經濟跨度，棧橋跨間承重結構采用鋼結構較混凝土結構合理。

該棧橋上部支承在煤塔上，由于焦化廠煤塔標高很高，考慮到廠區建構筑物較多，且要上跨道路、管道支架施工，因此選用鋼管空心球桁架結構。

鋼管空心球桁架重量輕、受力合理、制作簡單、運輸安裝方便、用鋼量省、有成熟的應用經驗，此種結構既能起到承受荷載的作用，又能為棧橋的封閉提供骨架，且便于維護。對桁架采用滿應力優化設計，技術經濟指標明顯好于型鋼板節點桁架體系。

桁架內有運煤皮帶機，且有便于檢修用的檢修通道，故空間桁架內部無交叉支撐。為避免風荷載作用時上下弦產生錯動，GB 50592—2010煤礦礦井建筑結構設計規范規定：應在棧橋的端部和支座位置設置封閉剛架，在桁架的上弦和下弦處，宜通長設置桁架縱向水平支撐，同時設置橫向垂直支撐。

3　桁架結構設計

3.1桁架高度、節間與支座形式的確定

桁架的高度可取桁架跨度的1/12～1/18，并應滿足工藝檢修要求。桁架的節間可取2. 0 m～3. 0 m，桁架節間尺寸應與桁架高度協調。上下弦支撐桁架的分格應分別與承重桁架的上下弦分格相同。這樣才能保證桁架桿件平面外計算長度與平面內計算長度相同。

綜上，確定此桁架桿件幾何尺寸。桁架桿件幾何尺寸見圖1，上弦支撐幾何尺寸見圖2，下弦支撐幾何尺寸見圖3。

圖1　桁架桿件尺寸圖（單位：mm）

圖2　上弦支撐尺寸圖（單位：mm）

圖3　下弦支撐尺寸圖（單位：mm）

對于大跨度的鋼桁架來說，地震、溫度或者偶然荷載作用下，桁架兩端會產生縱向水平位移而發生變形，應該讓產生的這些應力釋放掉。因此兩端支座不應都設置成固定鉸支座，斜桁架下端支座采用固定鉸支座，上端采用滑動鉸支座，這主要是避免讓較高的支承結構承受水平力，同時也避免了由于桁架下滑引起的下弦桿件附加拉力。鉸支座一般選用橡膠平板支座或者滾軸支座。板式支座一般用在跨度30 m以下的桁架，滾軸支座一般用在跨度30 m以上的棧橋，本工程選用橡膠平板支座。

3.2荷載取值（標準值）

1）恒載。

包括建筑，工藝等專業資料的荷載（不包括桁架自重）。

屋面恒荷載0. 3 kN/m2，樓面恒荷載3. 5 kN/m2。

2）活載。

包括工藝荷載，張緊設備荷載。

屋面活荷載0. 5 kN/m2。

樓面活荷載3. 0 kN/m2。

3）風荷載。

基本風壓為0. 5 kN/m2，地面粗糙度類別為B類，風荷載標準值（30 m高度處）：ωk=βzμsμzω0= 1. 2×1. 3×1. 39×0. 5 = 1. 084 kN/m2。上弦支撐桁架取受風荷載作用1/3面積的風載，下弦支撐桁架取受風荷載作用2/3面積的風載。

4）雪荷載。

基本雪壓為3. 0 kN/m2。

5）溫度荷載。

根據規范規定，溫度區段劃分滿足要求，不考慮溫度荷載。

6）地震荷載。

根據GB 50191—2012構筑物抗震設計規范，本工程位于7度區，只計算縱橫向水平地震作用，不進行豎向地震作用的計算。

3.3內力分析

1）設計軟件。采用空間結構分析軟件MST 2008進行計算。

模型：選用正交正放桁架型網架，支承位置位于下弦，約束條件為兩邊豎向簡支。

2）設計參數。

材料：鋼材采用Q235-B，無縫鋼管及焊接空心球。

桿件容許長細比：拉桿200，壓桿180。

強度折減系數：0. 9。

容許撓度值：1/250。

3）結構內力分析。

從內力分析可以看出下弦桿為拉桿，上弦桿為壓桿。上弦桿跨中拉力最大，越到支座邊力越小；下弦桿跨中壓力最大，越到端部力越小；端部腹桿受力最大，越到跨中受力越小。符合力學概念與受力模型。風荷載產生的力通過上下弦支撐傳遞給端門架，最終由端門架傳遞給支座。

3.4桿件與焊接球的確定

桿件截面的最小尺寸應按照計算的結果確定，對大、中跨度桁架結構，鋼管不宜小于D60×3. 5。桿件分布應保證剛度的連續性，受力方向相鄰的弦桿其桿件截面面積之比不宜超過1. 8倍。

焊接空心球外徑與壁厚的比值宜取25～45；空心球壁厚不宜小于4 mm；空心球外徑與連接鋼管外徑之比宜取2. 4～3. 0；空心球壁厚與鋼管最大壁厚的比值宜取1.5～2. 0。確定焊接空心球外徑時，球面上相鄰桿件鋼管間的凈距不宜小于10 mm，盡量使桿件不相貫連接。當空心球外徑不小于500 mm，應在球內加肋。

根據以上要求及計算內力結果選定桁架桿件及空心球的結果如下：桁架桿、球型號見圖4，上弦支撐桿、球型號見圖5，下弦支撐桿、球型號見圖6。

4　設計中的重點與難點

4.1端門架

端門架也就是支座處的封閉剛架承受支撐桁架傳來的水平荷載和承重桁架傳來的垂直荷載，應該具有足夠的剛度和承載力。端門架作為各榀桁架的支點，除滿足承載力要求外，應構造加大截面以具有足夠的剛度。因此門架的梁柱采用H型鋼制作。

圖4　桁架桿、球型號布置圖（單位：mm）

圖5　上弦支撐桿、球型號布置圖（單位：mm）

圖6　下弦支撐桿、球型號布置圖（單位：mm）

4.2下弦橫梁

棧橋的下弦橫梁除承受下弦支撐傳來的軸向力外，一般還兼作樓面結構的橫梁，應該考慮樓板作用下的附加彎矩和剪力，故可采用工字鋼或者方鋼管。

4.3桁架上、下弦桿

桁架上、下弦桿件設計時應特別注意，承重桁架的弦桿與支撐桁架的弦桿為同一構件，風荷載作用下，弦桿產生的內力應與承重桁架在豎向荷載作用下產生的內力組合疊加后再用于桿件設計。

5　結語

由于計算機結構計算軟件的飛速發展，相比原來簡化模型單榀桁架、支撐系統分別計算，用MST空間計算軟件整體計算分析，結果更為準確，計算工作量大為減少，施工圖更為精確，尤其適合大跨度結構，復雜結構的計算分析。

但運用軟件計算的同時，更應扎實自己的基本功，對結構的受力選型要做到心中有數。對軟件計算的模型，分析結果有基本的判斷。

參考文獻：

［1］JGJ 7—2010，空間網格結構技術規程［S］.

［2］GB 50592—2010，煤礦礦井建筑結構設計規范［S］.

［3］GB 50191—2012，構筑物抗震設計規范［S］.

［4］梁龐，王連新，肖希.大跨度鋼桁架棧橋的設計與選型［J］.煤炭工程，2012（1）：77-78.

［5］于良科.鋼棧橋設計與施工［J］.山西建筑，2007，33（24）：306-307.

Structural selection and design of large-span coal-transporting trestle

Hou Haipeng
（Coal Industry Taiyuan Design Academy，Taiyuan 030001，China）

Abstract：Combining with specific engineering cases，the paper analyzes the coal-transportation trestle structure selection，compares it with other structural forms，puts forward advantages of steel-tube hollow-ball joint truss，and finally describes its design points and difficulties，which has provided some guidance for similar engineering design.

Key words：truss，trestle，portal，bearing

中圖分類號：TU318

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0054-02

收稿日期：2016-01-17

作者簡介：侯海鵬（1982-），男，工程師