桁架式鋼通廊結構設計分析

裴 陽 李運軍 李曉春 王東征

（1.中建材（合肥）鋼構科技有限公司，安徽 合肥 230041；2.合肥水泥研究設計院有限公司，安徽 合肥 230041）

0 引言

通廊是工業生產中不可缺少的一部分，常用來安裝膠帶輸送機進行物料的輸送，因此通廊也被譽為工業生產的“生命線工程”[1]。根據材料不同，通廊分為混凝土通廊和鋼結構通廊，由于鋼結構自重輕、強度大、施工方便，使得鋼結構通廊在長距離運輸、大負載以及跨越地面障礙物方面具有較大的優勢，因此鋼結構通廊也更加廣泛地應用于實際工程中[2-4]。本文結合實際工程，對桁架式鋼結構通廊的結構設計進行分析。

1 工程概況

某水泥廠位于安徽省阜陽市潁上縣境內，廠區內規劃新建一座熟料堆棚，該堆棚跨度為60m，長度為150m，總建筑面積約9000m2。堆棚采用鋼網架屋面，周邊柱點支撐，柱距為7.5m。堆棚中部設有兩條膠帶輸送機通廊，寬5m，沿縱向通長布置，共分為5跨，每跨30m，置于混凝土框架上。

該通廊主要用于輸送熟料，其寬度除去膠帶機寬度，還在兩側留出了供設備檢修的人行通道。膠帶機的寬度規格較多，而人行走道的寬度應不小于800mm[5]。通廊的凈空高度和傾斜角度亦應滿足工藝的要求，本通廊為水平式，無傾斜，見圖1所示。

圖1 熟料堆棚剖面圖

2 結構設計

通廊采用平面桁架形式，由兩榀平行的豎向桁架以及桁架間的橫梁、水平支撐等共同組成空間結構，再與兩端剛架相連，形成穩定體系。桁架上弦橫梁可搭接屋面檁條和彩板，下弦橫梁可搭載膠帶輸送機，上下弦橫梁一般與桁架節點做成鉸接連接，在豎向荷載作用下，可看作簡支梁計算，同時橫梁也可作為系桿增大桁架平面外剛度，增強結構整體性，桁架節點則采用節點板焊接。

2.1 鋼桁架設計

對于平面桁架，在設計中通常假定為鉸接結構，假定在節點處的所有桿件軸線在同一平面上相交于一點，且按照理論鉸接點考慮，其所受荷載也假定均作用于節點處（如弦桿節點之間有荷載，需將其分配到相鄰節點上），桿件僅受軸力作用，因此桁架結構能夠比較充分地發揮材料的性能，有利于節約材料，減輕結構重量。

桁架一般上弦受壓，下弦受拉，腹桿連接上下弦桿，一般為受拉、受壓相交替，使得整個桁架結構形成類似于梁式受彎，因此桁架可近似看成空腹式高截面梁式結構。上下弦桿常采用雙角鋼、H型鋼、方鋼管，腹桿常采用雙角鋼、圓鋼管、方鋼管，端部鋼架常采用雙槽鋼、焊接工字鋼、H型鋼[6]。

2.2 荷載及邊界條件

鋼桁架設計所考慮的荷載主要有恒荷載、活荷載、風荷載以及地震荷載[7-9]，由于該項目位于水泥廠內，根據《建筑結構荷載規范》GB50009-2012，還要考慮灰荷載。

恒荷載：包括上弦恒載和下弦恒載。上弦恒載為屋面檁條、彩板以及上弦橫梁、支撐等的自重荷載，其中檁條彩板的自重荷載取0.2kN∕m2。下弦恒載主要是膠帶機支腿的集中荷載（膠帶機、物料等的自重）以及下弦橫梁、支撐、走道板的自重荷載。

活荷載：包括上弦活載和下弦活載。上弦活載為屋面活荷載，按現行荷載規范屋面活載取0.5kN∕m2，下弦活載為走道板的人員荷載，按規范取2.0kN∕m2。

風荷載：包括橫向風載和縱向風載。通廊一般縱向跨度較大，剛度大，因此在設計中可不考慮縱向風載。橫向風載主要由桁架水平支撐承擔，最終傳遞至桁架端部剛架。該工程根據荷載規范取基本風壓為0.4kN∕m2。

地震荷載：通廊屬于構筑物體系，一般按照構筑物抗震設計規范進行抗震設計。該工程所在地抗震設防烈度為6度，暫不做抗震分析，僅按照抗震規范采取相應的抗震措施。

灰荷載：按荷載規范取值，對于水泥廠區域取0.5kN∕m2。

桁架式通廊支座一般為鉸接支座，當通廊跨度過大時，可采用一端鉸接一端滑動，該工程通廊跨度為30m，因此選擇一端鉸接，一端滑動的支座形式。

2.3 建模計算

選用PKPM軟件進行鋼桁架的模型計算，該工程通廊共5跨，每跨構造一致，因此只選取一跨進行計算即可，具體如下：

（1）確定合適的桁架幾何尺寸，并對單跨桁架進行分段。該工程桁架分為6個節間，中部節間為5m，端部節間為4.8m（扣除支座間距），高度為6.34m（以較高榀桁架為實例），設置邊界條件為一端鉸接一端滑動，如圖2所示。

圖2 桁架模型示意圖

（2）選取相應的截面，該工程上下弦桿選用H型鋼，腹桿選用圓鋼管，桿件材質均設為Q235B，桁架受壓桿件長細比取150，受拉桿件長細比取250。此外，考慮到桁架節點處易出現負彎矩，因此對材料強度進行折減，該工程折減系數取0.9。對桁架上下弦節點施加集中荷載進行計算，根據計算結果，調整截面大小，桁架各桿件截面如表1所示。

表1 桁架桿件信息表

3 驗算分析

取一跨通廊結構進行整體驗算，在3d3s軟件中建立空間計算模型如圖3所示，根據上述計算所得賦予截面屬性、施加荷載及邊界條件，對結構的空間受力進行驗算。

圖3 空間計算模型

在各工況組合作用下，結構最大應力為206.8MPa，位于桁架斜腹桿Ф102×4.5 處，小于設計強度應力值235MPa；結構整體應力比分布如圖4所示，由圖可知大部分構件應力比控制在0.9以下，主要集中在0～0.3范圍內，表明結構安全儲備較大，整體安全性較高。

圖4 桿件應力比分布圖

通廊豎向最大位移出現在內側桁架下弦中間節點處，位移值為30.6mm，如圖5所示。鋼桁架豎向位移按永久和可變荷載標準組合計算[10]，應不超過L∕500=29600∕500=59.2mm（L為通廊桁架跨度），且桁架在加工過程中會通過預起拱消除施工誤差和后期環境影響，因此結構變形滿足要求。

圖5 豎向位移圖

4 結束語

本文通過PKPM軟件進行鋼桁架結構的建模，考慮各項荷載組合以及相應的邊界條件，計算選取合適的截面，再通過3d3s軟件進行空間建模并做整體分析，結果表明各單元應力均小于設計強度應力值，應力比控制在0.9以下，結構豎向撓度也在規范允許范圍內，因此設計合理，也表明采用該方式進行鋼結構通廊的設計較為安全可靠。相信該工程的設計分析能夠為今后同類型的工程項目提供參考。