關于“砼支柱-鋼桁架”輸煤棧橋結構設計的探討

張杰 楊勇

摘 要：通過對某工程采用混凝土支柱上鋼桁架輸煤棧橋結構的計算分析，與全鋼結構方案作比較，探討“砼支柱—鋼桁架”棧橋的經濟合理性及其各結構構件、非結構構件的做法。

關鍵詞：輸煤棧橋鋼桁架;混凝土支架結構設計

1 工程概況

工程所在地基本風壓0.55kN/m2;抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為0.20g，屬抗震設計第一組;該場地土屬非液化場地土，場地類別為Il類;基本雪壓0.35kN/m2。

本段棧橋長100.2米，檐口最低18米，最高42米，傾斜角16度。棧橋兩端均與轉運站樓面搭接，轉運站為鋼筋砼框架結構。棧橋內設置雙路皮帶，每條皮帶荷重為1t/m。安裝時考慮樓面最大活荷載4kN/m2。

本段棧橋MIDAS空間模型（砼支柱—鋼桁架方案）

2 結構選型

2.1 整體結構方案比選

在滿足工藝要求的前提下，常見兩種結構方案：

1）全鋼結構方案：棧橋支柱及其橋體均采用鋼結構的做法，整體重量輕，施工方便，輕巧美觀。不過此方案結構自重小，在棧橋比較窄比較高的情況下，風載作用下抗傾覆不利。

2）砼支柱-鋼桁架方案：下部支柱采用鋼筋砼結構，上部棧橋橋體采用鋼桁架結構。

通過有限元軟件MIDAS建立三個方案的模型，發現如下問題：

（1）支柱為鋼格構柱，橋體為桁架的模型。由于地震作用較小，且格構柱剛度較大，柱頂位移很容易控制。底層柱肢HW400x400時，可限制最大柱頂位移為H/2493. 但為了減小格構柱柱肢長細比，綴板用鋼量較大。同時，在垂直于棧橋縱向的風荷載作用下，35米以上棧橋抗傾覆驗算不滿足要求，必須考慮樁的抗拔。這樣，鋼支架柱實際上處于拉壓受力交替狀態，不利于鋼結構的穩定。（2）混凝土支柱，上部桁架橋體的模型。當柱截面為700x700時，柱截面配筋合理，最大柱頂位移H/1492。考慮風及地震荷載的情況下，棧橋橫向抗傾覆驗算滿足要求。

鑒于以上兩方案模型的分析，認為2方案較為合理：不會使下部支柱在風荷載作用下處于拉壓受力交替狀態。且考慮到下部砼支柱的施工可以與上部鋼桁架制作同時進行，不會影響工期。本工程決定采用“砼支柱—鋼桁架”方案。

2.2 各部分結構形式

屋面為輕鋼屋面體系，通長設置桁架間縱向水平支撐： 橫梁為H型鋼梁，橫梁間x型設置交叉角鋼拉條。棧橋兩側桁架同時作為兩側壓型鋼板墻的骨架，墻體為雙層壓型鋼板輕質墻。樓面采用鋼結構橫梁上托壓型鋼板作底模的現澆鋼筋混凝土樓板：這種樓板結構自重較大、整體性好，能為鋼桁架抗風提供必要壓重。

根據《火力發電廠土建結構技術規定》，桁架兩端應設門型鋼架，本工程具體做法如下：混凝土支柱下端固支于基礎上，鋼桁架通過其兩端鋼支柱固支于混凝土支架上，這種結構形式能增強鋼棧橋的整體穩定性，有效減小棧橋的柱頂位移。同時，《火力發電廠土建結構技術規定》要求，在桁架上下弦處，宜通長設置桁架間縱向水平支撐，同時設置橫向垂直支撐。本工程桁架上弦平面（即棧橋屋面）以H型鋼梁作為水平撐桿，以斜交角鋼作為拉桿，構成上弦平面支撐體系。由于考慮到輸煤皮帶支腿荷載較重，下弦平面（即棧橋樓面）采用密肋工字鋼橫梁，使用階段由于樓面采用了壓型鋼板做底模的混凝土樓板，平面內剛度相對較大，可有效保證其平面內穩定：施工階段由密肋工字鋼橫梁與桁架下弦組成平面支撐體系。屋架上弦與桁架腹桿間設置加強角鋼支撐，在滿足使用功能要求的前提下增大棧橋整體剛度。

3 結構設計計算及構造處理

本工程設計時分別用PKPM及有限元軟件MIDAS 建模計算，對兩種軟件的計算分析結果進行分析比較，有效的了解各結構構件的受力狀態。

3.1 下部支架設計計算

桁架支座下部混凝土支架采用4柱框架：高度超過30米支架按一級框架設計，低于30米支架按二級框架設計：所有柱均視為框架角柱。4柱支架之間高度上每隔6米左右拉連梁;每柱截面為700×700;對于底層柱，遵照《建筑抗震設計規范》6.2.3條，柱下端截面組合的彎矩設計值，對于一級、二級框架結構分別乘以增大系數1.5、1.25。連梁截面為350×700，跨度分別為2.4米和5.7米。計算結果顯示，此支架各層內力分布較為合理，沒有結構薄弱層：在考慮底層柱彎矩增大系數后，底層柱所需配筋較大，以上各層柱所需配筋稍小。與上部桁架整體建模計算結果顯示，考慮地震作用的最大柱頂位移H/1492，滿足《鋼結構設計規范》A.2.1條多層框架結構柱頂水平位移容許值H/500的要求。

3.2 上部鋼棧橋的設計計算

1）桁架設計計算。考慮到總圖道路及各類管線要求，桁架跨度設為25米。為滿足工藝要求，桁架上下弦之間垂直距離設為3.408米，桁架間距5.7米。

考慮到此棧橋受豎向荷載較大，故本工程桁架上下弦均采用H型鋼H200×150×6×9。這樣充分發揮了寬翼緣H型鋼的軸壓穩定承載力，使弦桿受力性能得到改善。同時，采用H型弦桿也利于樓面梁、屋面梁與弦桿連接節點的簡化，方便此節點施工。弦桿兩端頭與門型鋼架鉸接連接。上下弦桿最大應力比0.85，對應長系比82。

2）樓屋面設計計算。樓面橫梁為H200×180×8×12，間距不大于1600，兩端鉸接于桁架下弦。其上鋪設Y×B76-344-688，t=0.8mm壓型鋼板為底模的混凝土非組合樓板。非組合樓板混凝土凈厚80mm，通過圓柱頭螺釘與鋼梁上翼緣焊接。混凝土樓板每隔30米（兩跨）設置伸縮縫，消除混凝土樓板溫度應力。此樓板做法詳圖如下：

屋面橫梁采用H200×150×6×9，上弦每節點處設置一根，承擔屋面荷載的同時兼為上弦平面支撐系的撐桿。橫梁上焊接檁托板，通過調節檁托板高度將棧橋橫斷面形成雙坡輕鋼屋面。在屋面橫梁與桁架腹桿交接處，設置加強角鋼支撐L80×6，作為桁架垂直支撐。屋面橫梁之間×型交叉角銅拉條規格L75×6。

4 結語

以上對于本鋼桁架棧橋設計思路及設計過程的分析，充分考慮了鋼結構和混凝土結構的特點：支架采用混凝土結構為優，而上部棧橋采用鋼結構則充分體現其相對于混凝土結構的優點。對所選取的結構模型進行力學分析，以分析結果進行各結構構件設計。同時，采取可靠的構造措施，保證結構的可靠性，并且取得良好的經濟效益。

參考文獻

[1]鋼結構設計標準（GB50017-2017）。北京：中國建筑工業出版社。

[2]混凝土結構設計規范（GB50010-2010）北京：中國建筑工業出版社。

[3]建筑抗震設計規范（65111-2001）.北京：中國建筑工業出版社。

[4]鋼結構設計手冊（第3版）。北京：中國建筑工業出版社。

[5]鋼結構設計規范理解與應用。北京：中國建筑工業出版社。