鋼管桁架結構在輸煤棧橋工程中的應用

李興坡

摘要：傳統的棧橋通常采用角鋼或槽鋼型鋼桁架，跨度較大時，人在棧橋上行走會有較強的顫動感。某煤礦通過采用空間鋼管桁架結構形式棧橋實現61.9m跨大跨度棧橋，并解決了棧橋上行人時產生有較強顫動感的問題，獲得了良好的經濟效益。文中對該結構形式進行了三維模型計算，對重要節點進行了有限元仿真分析，并與傳統型鋼桁架棧橋用鋼量進行對比分析。論證了該結構形式的可行性和合理性。該結構形式在大跨度棧橋設計中具有一定的推廣意義。

關鍵詞：棧橋;空間鋼管桁架結構;相貫線連接;有限元;三維模型

1 引言

輕型鋼結構作為一種主要的承重結構形式，其主要的構件是以經濟型材構件為主，與傳統結構體系相比較，由于其圍護結構材料不同而使得性能較好，因此在煤礦建筑中的應用越來越廣泛。傳統的棧橋通常采用角鋼或槽鋼型鋼桁架，經濟跨度一般為30m，設計最大跨度不宜超過50m。且跨度較大時，人在棧橋上行走會有較強的顫動感（尤其是樓面采用鋼骨架輕型板時）。因此，傳統的棧橋結構形式已經不能滿足大跨度工程的設計要求。空間鋼管桁架結構以其簡潔、美觀的視覺效果及最大的截面剛度，廣泛應用于工業廠房、儲煤場、體育場等大跨度空間結構^[1]。該結構形式如能運用到棧橋中將能很好的解決棧橋顫動問題，并能夠實現棧橋的大跨度。

普通型鋼截面是單軸對稱，且多數情況下桁架桿件是由剛度（長細比或穩定性）起控制作用。而在型鋼截面面積相等的條件下，鋼管截面的回轉半徑最大，約為雙角鋼的1.6～1.9倍，雙槽鋼的2.1～2.4倍。在強度相等的狀況下，鋼管桿件剛度最大。由于空間鋼管桁架結構截面剛度較大，能夠發揮鋼材質量輕剛度大的優點，采用Q345B鋼材，起到節能降耗的作用。

2 空間鋼管桁架結構棧橋計算分析

山西某煤礦，主斜井井口房至原煤篩分站帶式輸送機棧橋跨度達到61.9m，而傳統的型鋼桁架跨度已無法滿足設計要求。該工程采用上承式鋼管桁架結構棧橋，其下部為圓鋼管桁架結構，上部為門剛結構。本文對鋼管桁架結構棧橋進行了計算分析及節點的有限元模擬，并與型鋼桁架棧橋用鋼量進行對比。目前，棧橋已投入運營，結構未出現顫動問題。

2.1 三維模型計算

傳統的型鋼桁架結構通常采用PKPM軟件中STS模塊計算，將一榀桁架進行平面受力計算，桿件的應力比控制在0.85左右，余下0.15倍的承載力用來抵抗計算模型中未計入的平面外地震作用和風荷載。空間鋼管桁架結構分別采用MIDAS和MSTCAD二種計算程序進行三維模型計算，考慮幾何大變形對結構受力的影響^[2][3][4]。工況組合中加入地震作用和風荷載，使結構模型受力形式更接近真實情況，更好的體現了空間結構的整體性能。

鋼管桁架最大應力出現在跨中下弦桿GJ2，應力為179.5N/mm²，滿足規范要求。二種軟件計算結果較為接近。在標準組合下，棧橋豎向撓度值為146.4mm<[L/400]=154.8mm，滿足設計要求。

2.2 空間相貫節點有限元分析

空間相貫節點是指處于不同平面的多根鋼管通過相貫焊接的形式連接在一起而形成的鋼管結構，是空間鋼管桁架結構最主要的節點構造形式。

由于空間節點的應力狀況非常復雜，很難通過理論方法精確地計算空間相貫節點的極限承載力。本文以下弦桿節點為研究對象，采用MIDAS FEA軟件中的殼單元對空間相貫節點進行有限元仿真分析。計算中忽略焊縫以及殘余應力影響。有限元分析中所用材料為Q345B鋼材，軸向力為結構整體模型在最不利工況下計算的桿件設計值。計算得出的Von Mises應力云圖如1所示，節點處的應力最大值出現在主管側壁上與支管間搭接位置處、主管外側。最大應力為267.6 N/mm²，滿足規范要求，節點處受力較大、應力集中現象較為明顯。

3 經濟參數對比

用鋼量是棧橋項目的主要經濟數據，為對比空間鋼管桁架結構棧橋與型鋼桁架結構棧橋的經濟效益，本文對山西、內蒙、甘肅等地煤礦的桁架棧橋工程用鋼量進行了整理對比，對比結果見圖2。根據用鋼量對比圖，可知：1）傳統型鋼結構棧橋經濟跨度為30m; 2）鋼管結構棧橋用量隨結構跨度增大而線性增長;3）當棧橋跨度大于40m時，采用空間鋼管結構能取得較好的經濟效果。

4 結語

4.1 空間鋼管桁架形式能夠實現棧橋超大跨度的要求，該結構形式剛度較大，能夠有效解決因棧橋剛度不足而產生的顫動問題。

4.2 空間鋼管桁架結構通過三維模型計算，在工況組合中能夠更好地體現風荷載和地震作用力對結構的影響，使結構模型受力形式更接近真實情況，更好的體現了空間結構的整體性能。

4.3 空間鋼管結構應盡量避免同一個節點處連接多根鋼管，且支管之間宜避免相互搭接，減少節點處應力集中。

4.4 當棧橋跨度大于40m時，采用空間鋼管結構能取得較好的經濟效果。

參考文獻：

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