淺談大跨度鋼桁架通廊的設計與應用

董湘乾

（中冶長天國際工程有限責任公司 湖南長沙 410000）

前言

隨著冶金工業建筑在我國大規模的建設，其中輸送焦炭、礦粉等各種原料及成品的皮帶通廊是必不可少的。為了滿足工藝流程和總圖規劃的要求，各種原料及成品礦需要經過長距離的跨越和高差的提升。由于鋼桁架具有自重輕、跨度大和施工周期短的優點，鋼桁架通廊被越來越多的結構設計人員采用。鋼桁架通廊是由若干榀平面桁架通過系桿、支撐等軸心受力構件連接組成的空間桁架系統結構。平面桁架的計算簡圖通常是一個理想桁架，即計算桿件內力時采用如下假定：①各節點都是采用絕對光滑而無摩擦的理想鉸相互連接；②各桿件的軸線都是絕對平直，且在同一平面內通過鉸的中心；③荷載和支座反力都是作用在節點上并位于桁架的平面內。理想桁架各桿件都是只承受軸力的二力桿。筆者近年來接觸了比較多的桁架結構設計，也對設計過程中的一些問題進行過思考，本文結合曾經設計過的一個大跨度鋼桁架，來對鋼桁架結構設計所需要注意的關鍵問題進行一些有益探討。

1 計算模型

采用PKPM-STS進行建模計算，該通廊跨度約為61.27m，桁架高跨比按1/12～1/5選取，考慮通廊荷載較小，本桁架設計高度取5.6m，高跨比約1/11，計算簡圖如圖1所示。桁架端部豎桿及上、下弦桿均采用寬翼緣H型鋼HW400×400×13×21，桁架端部斜腹桿按壓桿設計，采用HW300×300×10×15，其余斜腹桿均采用雙角鋼，所有節點均采用連接板焊接連接的連接方式，材料均采用Q-235B級鋼。根據《鋼結構設計規范》表5.3.1，除端部斜腹桿外的所有斜腹桿的計算長度均取0.8倍幾何長度，除此之外，其余桿件計算長度取幾何長度。

圖1 計算簡圖

2 應力比分析

靜力分析采用的荷載組合為自重（鋼桁架）+恒載（包括走道花紋鋼板、膠帶機、上、下弦支撐等）+走道檢修活載。根據計算結果，上、下弦桿的強度計算應力比控制在0.8左右。考慮到STS計算模型中，一般只考慮桁架平面內豎向荷載的作用而沒有考慮平面外風荷載作用，因此通過對上、下弦及腹桿的應力比的一個控制，使整個桁架的安全度處于一個相對合理的水平，保證結構具有足夠的承載力和剛度，當然如果需要考慮平面桁架平面外風荷載影響，建議分別對上下弦桿和平面外支撐等桿件組成的另一個平面桁架結構進行驗算。若平面桁架計算強度應力比過低，可以適當調整降低桿件規格，應力比值大小控制需根據實際情況和相關人員一起確定。

3 長細比分析

對于跨度大于60m的大跨度鋼桁架，《鋼結構設計規范》規定：跨度等于或大于60m的桁架，受壓弦桿和端部壓桿的容許長細比宜取100，其他受壓腹桿可取150；受拉弦桿和腹桿的長細比不宜超過300。根據STS應力計算結果可知，受壓弦桿和端部壓桿主要是應力比控制，而非長細比控制，中部腹桿主要以長細比控制為主，因此，合理的桿件選取是應該在保證滿足長細比要求的前提下，將構件的應力比盡量控制在合理范圍之內。

4 撓度分析

該鋼桁架在恒載+活載下的跨中最大豎向位移為38.4mm，撓度約為1/1595。遠小于《鋼結構設計規范》中對鋼桁架的撓度限值1/400，這說明鋼桁架平面內豎向具有足夠的剛度。對于大跨度桁架當豎向撓度超限時，必須在鋼桁架施工時預先起拱，若無超限，可以根據計算所得到的撓度對鋼桁架進行預先起拱，預拱值即采用恒載+活載所產生的豎向撓度。

5 節點設計

鋼桁架連接節點采用連接板焊接連接的“K”型節點。節點板焊縫長度一般采用不低于構件截面強度的焊縫連接。如對于斜腹桿雙角鋼2L110×10，其連接板焊縫長度計算如下（取角焊縫高度hf=8mm）：

由于鋼桁架在計算時，桿件的應力比控制在0.8左右，因此桿件本身強度已具備有一定的安全儲備。而對于按桿件截面強度計算得到的節點連接焊縫強度，因此也具有一定的安全儲備，這樣整體上保證了整個大跨度桁架的結構安全儲備，同時經濟合理。

6 支座設計

在設計桁架支座時，不但要考慮溫度應力，還要考慮溫度變形所帶來的影響，若水平變形過大，會給通廊桁架帶來不利影響，溫度變形計算公式為：

ΔL=α·Δt·L

其中α=12×10-6為鋼材線膨脹系數，Δt為溫差，L為溫度變形不動點到桁架體系計算區段端部的距離。

鋼桁架在計算平面內內力時并沒有考慮溫度應力及變形對結構的影響，所以必須在布置形式上采取必要的措施，鋼桁架通廊的一般布置形式為低端采用固定鉸支座，高端為滾動支座，中間設置側移剛度較弱的搖擺支架，中間段通廊桁架支座采用一端固定，一端留橢圓長孔。通過分段桁架的滑動和高端的滾軸移動來釋放溫度區段應力及變形。

7 結語及展望

在冶金工業結構設計中，大量的鋼桁架將會應用到實際中，對于此類結構設計，還應在以下幾方面加以關注：

（1）對于大跨度鋼桁架結構的抗震措施應給予足夠的重視，尤其是對桁架低端固定鉸支座處。可根據《構筑物抗震設計規范》計算通廊縱向水平地震作用，然后做出相應的加強措施，如可以將低端固定鉸支座改為可有限滑動的鉸支座1，用以釋放縱向水平地震作用力對支座的沖擊。應注意此處支架柱不應采用柔性支架，而應采用具有一定側移剛度的支架柱，如混凝土支架柱或四腿鋼支架柱。

（2）鋼結構存在節點多，現場施焊難度大的缺點，為了充分利用鋼結構的優點，便于大規模推廣鋼結構的應用，減少現場施工難度，應加快鋼結構材料及相關成品如圓鋼管、相貫節點以及滾動支座及橡膠支座等構件的研發設計工作。

（3）利用現代計算機技術，開發更方便建模、更能準確計算結構在各種工況下性能的設計軟件，同時對于以往經驗成果，如鋼結構節點等，應能將相關設計成果歸納成庫，方便以后的設計參考及借鑒。

[1]《鋼結構件設計規范》（GB50017-2003）[S]．北京：中國計劃出版社，2003．

[2]《構筑物抗震設計規范》（GB50191-2012）[S]．北京：中國計劃出版社，2012．