鋼桁架輸煤棧橋設計要點及受力分析

霍旭東 李健榮 劉健康

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

1 概述

輸煤棧橋是連接礦井與選煤廠兩個生產環(huán)節(jié)的重要構筑物，主要起到連接、傳送原材料的作用一旦在運行過程中發(fā)生破壞，將給煤礦的生產及生活帶來極大影響[1,2]。輸煤棧橋根據材料不同主要分為：鋼筋混凝土結構、鋼結構及砌體結構[3]。而鋼桁架因其受力明確、自重輕、造型美觀、跨度大、抗震性能好等優(yōu)點，在煤炭行業(yè)中得到了廣泛的應用。設計中，鋼結構棧橋通常采用PKPM軟件中的STS模塊對單片桁架進行計算，內力分析時，荷載集中在節(jié)點上，并假定所有桿件位于同一平面內，桿件重心線交匯于節(jié)點處，桁架節(jié)點為鉸接，所有受力構件均為二力桿件，而對鋼桁架的整體受力分析較少，缺乏在垂直桁架方向風荷載作用下的受力分析。故筆者通過MIDAS有限元計算軟件對利民礦井主斜井驅動機房至原煤倉棧橋進行了有限元受力分析，對比了兩種計算模型的結果，總結了鋼桁架設計中的要點。

2 工程概況

內蒙古利民礦井主斜井驅動機房至原煤倉棧橋是礦井產能升級新建工程，地面上既有建筑布置復雜，地下管溝縱橫，給棧橋的布置帶來很多不便，只能利用大跨度桁架跨過既有建筑物及管溝。單榀跨度43.5 m，斜長45 m，傾斜角度15°，橋面寬度4.3 m，底板用100 mm 厚非組合現澆樓板，墻面及屋面用100厚壓型鋼板保溫板。本工程抗震設防烈度為7度，地震分組為第三組；基本風壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度為B類；基本雪壓為0.20 kN/m2；樓面活荷載為4 kN/m2(強力皮帶)，屋面活荷載標準值(不上人)：0.5 kN/m2。

3 鋼棧橋結構選型

鋼桁架是由兩個側面主桁架通過上下支撐及端部平面剛架連接形成空間受力體系，見圖1。兩側主桁架在豎向力作用下既可作為承載結構承受上下水平支撐傳遞的豎向荷載，也可作為側向圍護結構的骨架[4]。主桁架由連續(xù)通長的上下弦桿通過節(jié)點板與豎腹桿及斜腹桿連接而成。兩榀主桁架間弦桿與腹桿連接節(jié)點處設置水平橫桿及交叉支撐，形成水平桁架傳遞水平荷載[5]。最后通過棧橋端門架將水平荷載傳遞至支座處，從而為棧橋的平面外提供了一定的剛度，保證棧橋的整體穩(wěn)定性。

3.1 主桁架選型

考慮到棧橋所用鋼材的經濟性及棧橋在豎向荷載下的變形，桁架的高度一般取其跨度的1/12～1/8[6]，當桁架的跨度大于36 m時，為了減小桁架內力，下弦的下部設置內部超靜定拉桿，綜合考慮多種因素取桁架的高度為3 300 mm。

本工程設計中根據桁架腹桿的布置可分為圖2，圖3兩種形式，分別為人字形式腹桿布置和單斜式腹桿布置。“人”字形腹桿布置桁架在豎向荷載作用下，大部分豎腹桿和斜腹桿均是受壓桿件；而單斜式腹桿在豎向荷載作用下，斜腹桿大部分受拉，豎腹桿受壓。經綜合對比后確定用N字形的方式布置桁架。

3.2 桁架水平支撐體系

桁架水平支撐布置在桁架的上、下弦平面內，用來承受側向水平風荷載、橫向地震作用等，同時為弦桿提供側向支撐，減小其平面外計算長度，并增加桁架的空間剛度[7]。當樓板采用現澆混凝樓板時，可不設置下弦支撐。水平支撐分為交叉支撐和K型支撐，一般情況下，根據棧橋的寬度及支撐與斜桿間的夾角(35°～55°間受力較好)，如滿足此要求，則優(yōu)先采用X型支撐；否則采用K型支撐來考慮采用哪種形式。

4 平面二維模型與有限元模型比較

4.1 平面二維模型

采用PKPM中STS模塊進行計算時，將鋼桁架整體拆分為上弦支撐桁架、主受力桁架、下弦支撐桁架及端門架四部分。上下弦支撐桁架計算時，將風荷載等效為節(jié)點風荷載來考慮其受力性能。主桁架只考慮在豎向荷載作用下(恒+活)的受力情況：按節(jié)點處的負荷面積換算成該節(jié)點的集中荷載，忽略桁架節(jié)點的次生彎矩；而端門架簡化為集中風荷載作用下的門式剛架。圖4為單榀桁架結構簡圖。

4.2 有限元模型

在MIDAS有限元模型中，上下弦桿、門式剛架采用梁單元，鋼桁架腹桿和上下弦水平支撐采用桁架單元。建模型時候需注意到以下幾點：1)上下弦桿作為一根通長的梁單元，在節(jié)點處不可斷開，梁兩段為鉸接連接，即釋放梁端平面內外彎矩;2)端門架模擬時，為防止鋼桁架側向脫落，門架柱腳在其平面內采用剛性連接；而在門架平面外柱腳一端采用鉸接連接，另一端采用彈性連接，保證桁架在荷載作用下的變形能力；3)考慮橫向風荷載的影響。該模型采用5種靜力荷載工況：上弦恒荷載、下弦恒荷載、上弦活荷載、下弦活荷載以及風荷載。圖5為45 m鋼桁架有限元模型。

4.3 計算結果分析

為了研究桁架二維模型和有限元模型分析方法的內力計算結果，選擇典型受力桿件作為控制桿件，詳細結果見表1～表3。

表1 桁架典型桿件強度應力比(1.2恒載+1.4活載)

模型上弦桿下弦桿下拉弦桿斜腹桿下拉豎桿12345678910111213141516平面0.530.730.730.530.560.430.730.800.720.800.660.570.580.670.620.62空間0.430.670.620.440.200.210.240.530.450.530.500.420.520.420.430.43注:所有構件均采用Q235B

表2 桁架典型桿件節(jié)點處變形(1.2恒載+1.4活載) mm

由表1，表2比較可得：

1)桁架上弦桿、腹桿桿件強度應力比STS計算結果比MIDAS計算結果偏大10%左右，下弦桿、下拉弦桿及下拉豎桿STS與MIDAS計算結果相差較大，最大可達50%。這是由于空間模型考慮了兩榀桁架的協同作用，導致鋼桁架體系的中和軸發(fā)生了偏移，引起桁架上弦與下拉橫桿之間的桿件內力調整。

2)在“恒+活”荷載作用下，平面模型最大撓度發(fā)生在跨中，約為58 mm；同樣，空間模型最大撓度也是出現在跨中，約為61 mm，兩者均滿足GB 50017—2017鋼結構設計標準的撓度容許值(跨度的1/400)要求。

由于STS中的計算模型為單片桁架，無法考慮橫向風荷載對桁架內力的影響，于是筆者對考慮風荷載的MIDAS空間模型與平面模型進行了比較，具體結果見表3。

表3 桁架典型受力桿件

從表3中可以看出，空間模型在考慮風荷載作用時，桿件的內力增長明顯，尤其是上弦跨中的2號桿件，已明顯超過采用平面模型得到的計算結果。而下弦桿、腹桿、下拉弦桿及下拉豎桿內力均有增長，但均小于采用平面模型得到的內力。

5 結語

通過對兩種模型的受力分析，對鋼桁架的設計得出以下結論：

1)在恒載+活載作用下，STS計算的結果是很保守的。這是因為STS中計算模型只考慮平面內的單片桁架，忽略了空間中其他結構對其的有利影響。2)當所處地區(qū)基本風壓比較大時，平面模型得到的計算偏于不安全，應采用有限元模型進行校核，若截面選擇的富余量大于15%，則可不再計算。3)樓板采用現澆混凝樓板時，可不設置下弦支撐。4)所有的水平荷載都是通過端門架傳遞給支座，故端門架下部受力較大，設計時應采取一定的加強措施。5)加強兩榀桁架之間的連接(如桁架上弦橫桿與豎腹桿間設置隅撐)，使其能更好的整體受力。