關(guān)于“砼支柱-鋼桁架”輸煤棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

張杰 楊勇

摘 要：通過對(duì)某工程采用混凝土支柱上鋼桁架輸煤棧橋結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，與全鋼結(jié)構(gòu)方案作比較，探討“砼支柱—鋼桁架”棧橋的經(jīng)濟(jì)合理性及其各結(jié)構(gòu)構(gòu)件、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的做法。

關(guān)鍵詞：輸煤棧橋鋼桁架;混凝土支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 工程概況

工程所在地基本風(fēng)壓0.55kN/m2;抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g，屬抗震設(shè)計(jì)第一組;該場(chǎng)地土屬非液化場(chǎng)地土，場(chǎng)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(zhuǎn)運(yùn)站樓面搭接，轉(zhuǎn)運(yùn)站為鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)。棧橋內(nèi)設(shè)置雙路皮帶，每條皮帶荷重為1t/m。安裝時(shí)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(jié)構(gòu)選型

2.1 整體結(jié)構(gòu)方案比選

在滿足工藝要求的前提下，常見兩種結(jié)構(gòu)方案：

1）全鋼結(jié)構(gòu)方案：棧橋支柱及其橋體均采用鋼結(jié)構(gòu)的做法，整體重量輕，施工方便，輕巧美觀。不過此方案結(jié)構(gòu)自重小，在棧橋比較窄比較高的情況下，風(fēng)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(jié)構(gòu)，上部棧橋橋體采用鋼桁架結(jié)構(gòu)。

通過有限元軟件MIDAS建立三個(gè)方案的模型，發(fā)現(xiàn)如下問題：

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

鑒于以上兩方案模型的分析，認(rèn)為2方案較為合理：不會(huì)使下部支柱在風(fēng)荷載作用下處于拉壓受力交替狀態(tài)。且考慮到下部砼支柱的施工可以與上部鋼桁架制作同時(shí)進(jìn)行，不會(huì)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(jié)構(gòu)形式

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

根據(jù)《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)定》，桁架兩端應(yīng)設(shè)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(chǔ)上，鋼桁架通過其兩端鋼支柱固支于混凝土支架上，這種結(jié)構(gòu)形式能增強(qiáng)鋼棧橋的整體穩(wěn)定性，有效減小棧橋的柱頂位移。同時(shí)，《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)定》要求，在桁架上下弦處，宜通長設(shè)置桁架間縱向水平支撐，同時(shí)設(shè)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(gòu)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(nèi)剛度相對(duì)較大，可有效保證其平面內(nèi)穩(wěn)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(shè)置加強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算及構(gòu)造處理

本工程設(shè)計(jì)時(shí)分別用PKPM及有限元軟件MIDAS 建模計(jì)算，對(duì)兩種軟件的計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行分析比較，有效的了解各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀態(tài)。

3.1 下部支架設(shè)計(jì)計(jì)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(jí)框架設(shè)計(jì)，低于30米支架按二級(jí)框架設(shè)計(jì)：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(duì)于底層柱，遵照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》6.2.3條，柱下端截面組合的彎矩設(shè)計(jì)值，對(duì)于一級(jí)、二級(jí)框架結(jié)構(gòu)分別乘以增大系數(shù)1.5、1.25。連梁截面為350×700，跨度分別為2.4米和5.7米。計(jì)算結(jié)果顯示，此支架各層內(nèi)力分布較為合理，沒有結(jié)構(gòu)薄弱層：在考慮底層柱彎矩增大系數(shù)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(jì)算結(jié)果顯示，考慮地震作用的最大柱頂位移H/1492，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》A.2.1條多層框架結(jié)構(gòu)柱頂水平位移容許值H/500的要求。

3.2 上部鋼棧橋的設(shè)計(jì)計(jì)算

1）桁架設(shè)計(jì)計(jì)算。考慮到總圖道路及各類管線要求，桁架跨度設(shè)為25米。為滿足工藝要求，桁架上下弦之間垂直距離設(shè)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(fā)揮了寬翼緣H型鋼的軸壓穩(wěn)定承載力，使弦桿受力性能得到改善。同時(shí)，采用H型弦桿也利于樓面梁、屋面梁與弦桿連接節(jié)點(diǎn)的簡化，方便此節(jié)點(diǎn)施工。弦桿兩端頭與門型鋼架鉸接連接。上下弦桿最大應(yīng)力比0.85，對(duì)應(yīng)長系比82。

2）樓屋面設(shè)計(jì)計(jì)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(shè)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(shè)置伸縮縫，消除混凝土樓板溫度應(yīng)力。此樓板做法詳圖如下：

屋面橫梁采用H200×150×6×9，上弦每節(jié)點(diǎn)處設(shè)置一根，承擔(dān)屋面荷載的同時(shí)兼為上弦平面支撐系的撐桿。橫梁上焊接檁托板，通過調(diào)節(jié)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(shè)置加強(qiáng)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(guī)格L75×6。

4 結(jié)語

以上對(duì)于本鋼桁架棧橋設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)過程的分析，充分考慮了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：支架采用混凝土結(jié)構(gòu)為優(yōu)，而上部棧橋采用鋼結(jié)構(gòu)則充分體現(xiàn)其相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)所選取的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行力學(xué)分析，以分析結(jié)果進(jìn)行各結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)。同時(shí)，采取可靠的構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)的可靠性，并且取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB50017-2017）。北京：中國建筑工業(yè)出版社。

[2]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）北京：中國建筑工業(yè)出版社。

[3]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（65111-2001）.北京：中國建筑工業(yè)出版社。

[4]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第3版）。北京：中國建筑工業(yè)出版社。

[5]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用。北京：中國建筑工業(yè)出版社。