淺談鋼鐵企業鋼結構通廊的特點及設計要領

摘 要：結合當前國家環保政策及低碳節能要求，闡述了鋼結構通廊在設計過程中應當關注的問題，總結了減小通廊用鋼量的主要技術措施。對照新近實施的《工程結構通用規范》（GB 55001-2021），分析了鋼結構通廊計算過程中的注意事項；通過對通廊鋼桁架桿件在不同布置方式下的用鋼量對比，給出了較為理想的構件布置方案。

關鍵詞：鋼結構通廊；用鋼量；密閉；節點構造文章編號：2095-4085（2024）06-0100-03

0 引言

近年來，隨著我國鋼鐵企業的規模不斷擴大，產能日益提高。這一方面滿足了人民對物質文化生活的需求，但同時也帶來了諸如環境惡化、產能過剩等嚴重問題。為此國家制定了嚴格的環境保護政策，并要求各行各業必須認真貫徹和執行。尤其是在2020年9月22日中國政府向全世界莊嚴許下碳達峰、碳中和的目標以后，綠色規劃、綠色設計、綠色投資、綠色建設的理念被提升到前所未有的高度。這對工業設計提出了更高的要求，不僅要滿足安全性和使用性要求，同時也要滿足低碳和環保要求。

1 鋼結構通廊的特點和結構形式

與汽車、鐵路等傳統的運輸方式相比，鋼結構通廊具有以下特點：運行可靠鋼結構通廊運輸受人員、時間等限制較少，一般可保證連續工作，穩定運輸。成本低傳統的運輸方式，需要大量的汽車、火車，容易造成交通運輸的擁堵。皮帶通廊一般使用壽命長，做到一次投資，長效使用。環保汽車、火車運輸需要消耗大量的化石能源，對環境造成污染［1］。皮帶通廊封閉嚴實，僅需消耗電能，對周邊環境污染較小。

2 結構形式

鋼結構通廊結構主要通常設計中采用兩種形式：梁式通廊和桁架式通廊。梁式通廊以鋼梁作為通廊的主要受力構件、梁上設門式鋼架構形成通廊骨架。梁式通廊一般跨度較小（一般不大于9m），布置靈活度低，用鋼量大。一般大宗原燃料皮帶運輸具有運輸距離遠、廠區地形復雜，往往需要通廊跨越道路、管道、建筑物等特點，要求通廊跨度大、布置靈活、成本低等，所以一般鋼鐵企業使用較少［2］。桁架式通廊采用空間鋼結構桁架和鋼結構支架作為骨架，壓型彩色鋼板作為封閉材料，需要保溫時，封閉材料選用金屬面硬質聚氨酯夾芯板封閉。桁架式通廊跨度大，重量輕、造價低等優點，在鋼鐵企業被廣泛使用。

3 設計要點

3.1 通廊荷載的取值

鋼結構通廊荷載主要恒荷載和活荷載兩部分組成。恒載主要有：皮帶機、通廊兩側垂直桁架鋼結構、通廊上部水平桁架鋼結構、屋面斜坡鋼結構、走道鋼結構、封閉用檁條、壓型鋼板、窗戶、通風設施及其他專業要求設置的電纜、管道等設施重量；活荷載一般包括：皮帶運輸物料荷載、屋面活荷載（一般按不上人屋面計算）、屋面積灰荷載、走道活荷載、風荷載、地震荷載等。在桁架計算時，應根據通廊實際受荷情況，根據荷載加載位置，分別將屋面荷載、走道荷載設置于桁架的上部節點和下部節點。在計算通廊支架的水平荷載時，不考慮垂直活載對支架的影響，即按支架最不利因素考慮。

根據《鋼鐵企業膠帶機鋼結構通廊設計規范》（YB4358-2013）的規定，鋼結構通廊承受的荷載主要包括工藝荷載、通廊自重、電纜和管道荷載、風荷載、積雪荷載、積灰荷載、均布活荷載、溫度作用、地震力等。對于正常的廊身來說，積雪荷載按《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）取值。但當廊身與建（構）筑物相連形成陰角時，應按規范要求考慮積雪的不均勻堆積。其中圍護結構、上弦橫梁按積雪不均勻分布最不利工況計算；縱向桁架按全跨均勻、不均勻分布、半跨均勻分布三種工況分別計算［3］。通廊的風荷載可以按照荷載規范來計算，即ωk=βZμsμzω0。其中風荷載體型系數μs按照《鋼鐵企業膠帶機鋼結構通廊設計規范》（YB 4358-2013）附錄之要求取1.7。傳統設計過程中，當通廊高度較小時往往不考慮風振系數βZ。但在國家住建部新發布的《工程結構通用規范》（GB55001-2021）中， 第4.6.1條已經明確指出：垂直于建筑物表面的風荷載標準值，應在基本風壓、風壓高度變化系數、風荷載體型系數、地形修正系數和風向影響系數的乘積基礎上，考慮風荷載脈動的增大效應加以確定。其中，主受力結構的風振系數按荷載規范確定，但不應小于1.2；圍護結構的放大系數不應小于1+，式中μz為風壓高度變化系數。通過對比隨機振動理論和荷載規范提供的風振系數法兩種計算方法得出的結果，可得到以下結論：隨著通廊支架高度的增加，風振系數逐漸變大（見表1），但當支架高度為20～40m時，通廊廊身風振系數變化幅度不大，但支架的風振系數變化很明顯；B類地貌下，當支架高度大于30m時，采用隨機振動理論和風振系數法計算得到的支架風振系數接近，由于支架迎風面積較小，對設計影響有限，故工程設計時可偏于保守考慮，按荷載規范確定風振系數。綜合考慮，封閉通廊桁架計算時采用的μz可以取1.2～1.3；支架計算時的μz按荷載規范計算取值，以下給出參考值（僅作用于支架的迎風面上）。

桁架計算必須考慮橫向風對桁架上、下弦桿的影響。在左風影響下廊身受到水平向右的推力，平均分配到上下弦桿上。該推力在桁架弦桿上產生的橫向彎矩為W=18ωkh2I2。式中：ωk為風荷載標準值，h為通廊迎風面高度，l為通廊跨度。該彎矩對上下弦所在水平面內的弦桿1和弦桿2均產生了一壓一拉的效果，兩個力大小相同，方向相反，因而構成一對力臂為b的力偶，其大小等于風荷載產生的水平向彎矩。因此可得出通廊弦桿受到的軸向力Fw=81ωkh2I2b。當對桁架建模計算時，該軸向力應加在弦桿的兩端，當或通廊地處冬夏溫差很大的內陸地區時，需要考慮通廊的溫度荷載。溫度荷載只在計算通廊支架時考慮。根據規范要求：縱向水平推力Pf=3EIΔL/H3，通廊支座處熱膨脹值ΔL=KtLjαΔt。其中Kt為保溫系數，對封閉通廊來說取0.6；Δt為通廊安裝合攏時室外溫度與環境極限溫度的溫差；Lj為溫度區段內變形約束中心點至計算支座間廊身水平投影長度；α為鋼材線膨脹系數。鋼結構通廊的計算包括桁架和支架兩部分，都是非常簡單的計算模型。在當前計算機模擬技術日臻完善的情況下，只要荷載考慮清楚，結構也就很明確了。

3.2 通廊的結構布置

膠帶機是冶金、煤炭、水泥等行業重要的轉運設備，作為其載體的通廊在上述行業的工廠里得到了普遍應用。很多超長超高通廊甚至成為工廠的地標。普通的膠帶機通廊跨度大于18m時往往采用鋼結構，特別是采用兩榀豎直桁架并用支撐將其上、下弦連接成空間結構的通廊更具有明顯的優勢。憑借自重小、抗震性能好、加工制作方便和安裝快捷等特點，鋼結構通廊逐漸成為通廊主要形式。按照國家環保政策要求，通廊均應采用封閉式結構。通廊的結構劃分應當在規范許可的范圍內，根據工藝需要和建設場地內的總圖布置情況綜合考慮。通廊支架作為廊身的主要支承結構可以分為單片支架和雙片固定支架，其設置應根據通廊相連建（構）筑物的距離以及溫度區段來確定［4］。設置單片支架的主要目的是合理劃分通廊跨度和傳遞廊身橫向、豎向荷載；除此之外，設置固定支架的另外一個主要目的是保證通廊及其支架和相鄰建（構）筑物能夠共同形成完整的縱向穩定體系和抗震體系。以此傳遞縱向力。對于封閉通廊來說，一個溫度區段最長可取180m。因此當廊身長度不超過180m，且一端固定于建（構）筑物上時，可以只設單片支架；廊身超過180m時，按每180m設置1～2個固定支架為宜。兩個溫度區段之間設置變形縫，縫寬不小于105mm。當廊身與建（構）筑物之間設置變形縫時，通廊端部支座應設在柱子外側牛腿或附加梁上，不宜伸到建（構）筑物里面；當有坡度的通廊在固定支架上設變形縫時，應當在下端一側采用滾動（滑動）支座，上端一側采用固定鉸支座。

3.3 控制用鋼量的主要措施

國家提出雙碳目標以后，綠色設計被提升到前所未有的高度。在工業設計過程中貫徹低碳、節能的設計理念，其核心思路在于保證相同安全度及使用性的前提下，盡量降低工程造價，減少投資。對于鋼結構通廊來說主要是降低用鋼量。根據已有工程經驗，當支架間距在20～30m之間時，通廊整體造價最為經濟。此時，廊身桁架尺寸和構件大小與通廊支架和基礎的數量取得平衡。所以在進行長距離通廊結構劃分時，盡量選擇24～25m桁架跨度可以節省鋼材用量。當廊身較高或基礎采用樁基時，跨度應適當加大，最佳方案根據計算結果對比確定。控制桁架用鋼量的主要措施有兩點：方法一是讓受壓桿件強度應力和穩定應力二者同時接近限值，避免出現一大一小；方法二是減少壓桿的數量或長度。對于方法一來說，應對策略即為：桁架壓桿盡量選用熱軋寬翼緣H型鋼或雙拼格構式構件。而拉桿不受此限制。通廊桁架腹桿常用的布置方式有人字形和混合式。根據相同荷載工況下相同跨度桁架的內力計算結果。其中負值為壓桿，正值為拉桿。相比于拉桿，由于壓桿有穩定性要求，且長細比限值比拉桿小一倍，設計截面可能會比拉桿大很多。因此通過改變腹桿布置方式，減少壓桿的數量或長度，讓更多桿件變成拉桿，可以在一定程度上降低用鋼量。桁架上下弦桿的應力值相差不大，考慮構造要求，相同部位可以采用相同截面構件，因此省鋼的關鍵即為減小腹桿用鋼量。由于斜腹桿的長度和應力值都比垂直腹桿大許多，而第三種布置方式可以讓更多的斜腹值變成拉桿，為最省鋼的一種布置方式。通廊的走道面傳統設計為桁架式，即在下弦橫梁之間打上交叉支撐，使其與豎向桁架的下弦桿構成一個水平桁架。鑒于走道面滿鋪花紋鋼板以后，可以認為其平面剛度無限大，可以有效約束豎向桁架下弦桿的平面外穩定，且有很好的抗變形能力，因此如果從省鋼的目的出發，可以在保證鋼板與下弦桿、下弦橫梁、膠帶機支承梁連續滿焊的情況下，省掉水平支撐桿［5］。通廊走道面為滿鋪的花紋鋼板。對于膠帶機正下方區域，因為無需走人，當積灰荷載較小或可以忽略時，此區域的板底加勁肋可以取消。通廊的上弦水平支撐通常情況下由長細比控制。但當通廊跨度較大時，端部支撐桿件的應力比可能超限。此時需要對上弦水平桁架進行建模計算，其所受荷載為廊身迎風面水平風荷載的一半。

3.4 新環保政策下封閉式通廊節點的構造要求

國家環境保護部于2012年10月29日和2014年04月25日分別印發了《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》、 《關于在化解產能嚴重過剩中加強環保管理的通知》。把環保的地位擺到了發展之前。針對鋼鐵企業的原料工序，做到“廠內鐵精礦、煤、焦炭等大宗物料應采取封閉式皮帶運輸”。根據該條要求，封閉式通廊的密閉性成了環保部分對鋼鐵企業環保狀況檢查的重要內容。因此，最近幾年來許多鋼鐵企業都對現有的半封閉式、敞開式通廊進行了密閉改造。對于新建鋼結構通廊來說，在節點的處理上理所當然要做到密閉要求。通常可對墻板與走道面、屋面板連接的地方作處理。按國家標準圖集的做法，墻板與屋面板相交的位置采用拉鉚釘連接，但密閉性和耐久性不好，采用增加包邊彩板的方式處理，可大大提高通廊的密閉性。

4 結語

隨著國家低碳、環保政策的推行，以及結構行業新國標的出臺，鋼結構通廊的設計迎來許多新的變化。鋼結構通廊的設計工作必須緊扣當前政策和現行標準，做到與時俱進，不斷創新，才能滿足鋼鐵企業生產和國家發展的要求。

參考文獻：

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［4］侯慶東，呂源芳，王梁亞.鋼網架結構通廊快速排查模糊綜合評判研究［J］.工程技術研究，2022，7（16）：1-4.

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