長距離輸送鋼棧橋的設計

潘 灃

(中國五環工程有限公司,湖北武漢 430223)

棧橋是工業建筑中的一種常用的結構形式,作為工廠運輸系統的重要組成部分,承擔著運送原料和成品的任務。近年來,隨著我國現代化建設的發展,工礦企業規模急速增大,鋼結構棧橋以其結構自重輕,材料強度高,整體性好,施工周期短,在長距離輸送大跨度棧橋建設中得到廣泛應用。尤其是高度為15～20 m的棧橋,還具備造價低,抗震性好,建設速度快的特點。鋼結構棧橋的型式越來越向大、高、重的方向發展。筆者根據近年來在化工項目鋼棧橋設計中的實踐,對設計中的若干問題作如下探討。

圖1 棧橋縱向結構體系

1 棧橋結構體系

目前,國內大跨度輸煤棧橋由中間支架和縱向跨間結構組成,其結構形式一般是支架縱向采用排架、橫向采用框架(帶支撐),縱向跨間結構采用鋼桁架的結構體系。但隨著支架數的增加,棧橋的縱向穩定性會降低,故在長距離輸送棧橋設計中,當棧橋分隔區段的長度≥50 m時,應在跨間適當位置布置一座四柱式框架結構(帶支撐)。其結構體系如圖1所示。

2 棧橋結構布置特點

一般棧橋平面形狀呈細長條形,立面上縱向傾斜或水平。為了保證棧橋縱向體系的穩定,通常在低側設不動鉸接支座(固定端),承受豎向荷載和縱向地震作用;在高側設滑動支座,保證在縱向地震作用下的位移變形。在跨間設置的四柱式框架(帶支撐)作為承擔縱向地震作用,這兩種抗震方式的組合使用,可提高長距離棧橋結構體系的縱向穩定性。

布置棧橋支架時,在滿足施工安裝條件下,宜盡量加大跨距,縱向桁架的跨度一般不宜小于支架的高度。鋼材消耗最少的桁架其h/L=1/10～1/12(h為桁架高度,L為桁架跨度),通常桁架高度為2.5～3.0 m,最經濟跨度為30～36 m。使多榀桁架跨度相等,減少桁架的規格,盡量按經濟跨度設置,還可以方便金屬結構廠加工制作、減少設計工作量。在同一條棧橋中,非標準模數的跨度宜調整在棧橋的端跨。綜上所述,應盡量考慮將桁架的跨度布置一致或接近一致。

3 棧橋結構設計

3.1 桁架形式及計算

3.1.1 桁架的結構形式

平行的鋼桁架作為縱向承載結構,也作為側維護結構的骨架,承受上下鋼橫梁傳遞的豎向荷載。縱向鋼桁架是由上下弦桿和腹桿組成,上下弦桿為連續桿,腹桿通過節點板與上下弦桿連接。上下弦鋼桁架節點處設置水平支撐及橫梁,形成水平桁架,傳遞水平荷載。棧橋端門架就是桁架的支承,將主桁架的水平作用力通過端門架傳向下部的支座,并保證棧橋的橫向剛度及穩定。所以,設計時必須保證梁、柱連接點為剛接。端門架的橫梁及立柱通常選用 H型鋼。棧橋兩側及屋面通常采用輕型面板封閉,棧橋結構體系實際上就是一個由受力桁架和上、下弦水平支撐桁架組成的平面交叉桁架,最后發展為空間桁架體系(見圖2),這種空間桁架的材料利用率高,應力水平高,故在大跨度、大空間結構中廣泛應用。

3.1.2 桁架內力計算及截面選擇

主桁架承受的荷載主要為通過橫梁傳來的屋面及樓面荷載和支撐的自重。內力分布為:上弦桿受壓,且由端部向中部逐漸增大,下弦桿則由端部受壓向中部受拉漸變,端部腹桿受力大于跨中腹桿,可以理解成“掏空”的梁,主桁架截面通常是由兩個等肢角鋼組成或者為 H型鋼。主桁架腹桿一般采用雙角鋼或雙槽鋼。門架通常做成兩鉸門形剛架,梁及柱均按壓、彎構件計算,同時其端門架立柱也是承重桁架的組成部分,立柱截面的選擇必須考慮兩者的內力組合。

圖2 空間桁架體系

3.2 支架形式及計算

(1)棧橋支架一般可以采用鋼筋混凝土支架和鋼支架,棧橋的桁架可以直接坐落在支架上,也可以直接坐落在建筑物上,多跨棧橋支承位于特設的中間支架上。棧橋的中間支架可分為平面支架和空間支架。平面支架(如圖3)可以看作一個豎起來的桁架,它的上下弦桿就是支架的立柱,直接承受棧橋桁架的反力,其桿布置在支架平面內,立柱可以是豎直的。當支架抗傾覆不能滿足要求或支架基礎過大時(如跨間結構跨度較大、支架較高時),也可以是斜放的(如圖4),其在風載或水平力作用下有較好的側向穩定性,但支架的上部應與棧橋的寬度相同,以利棧橋桁架直接坐落在立柱上。為避免棧橋的側向變形過大,在跨間適當的位置應設置一些空間支架。多跨棧橋的支架,當不能利用兩端建筑物或平面支架過高不能作為不動支架時,應設置一個空間支架,并綜合考慮緊裝置的部位。鋼支架的立柱,一般可采用工字形截面或組合截面。

(2)現在通常用PKPM系列的STS鋼結構軟件對棧橋體系進行結構計算。進行結構分析計算時,需對支柱和上部桁架分別建模計算。在進行支柱分析計算時,我們在設計上進行了簡化,沿棧橋縱、橫兩個方向分別建立平面桿系模型計算,縱向為兩榀平面排架結構,橫向為若干榀框排架結構。

圖3 平面支架(形式a)

圖4 平面支架(形式b)

3.2.1 縱向結構體系設計計算及構造

縱向計算模型如圖5所示,取棧橋支柱及桁架建模,把桁架定義為慣性矩很大剛性桿件,將棧橋面以上的恒載、活載的一半均布到各剛性桿上,剛性桿與支柱的節點設為鉸接點,各支柱上端鉸接,下端與基礎剛接。

圖5 棧橋縱向計算模型

一般棧橋支柱高度相對較高,其截面尺寸的確定大多由平面內穩定應力比或長細比控制,通過大量計算的比較,只要長細比控制得當,穩定性一般都能滿足。支柱平面內穩定性應滿足 N/ (φA)≤f,其中,φ為支柱的軸壓桿穩定系數,根據支柱的長細比、鋼材屈服強度,支架在平面內的計算長度系數μ按如下原則確定(見表1)。空間支架布置柱間支撐宜采用剛性支撐,若水平位移值小于1/1 000,這時側移的影響可以忽略,可按無側移框架柱確定計算長度系數。否則,不論有無支撐均按有側移計算。

表1 管架柱縱向(軸向)計算的長度系數(μ)

3.2.2 橫向結構體系設計計算及構造

棧橋橫向計算模型如圖6所示,取各榀支柱PK分別建模,將支柱上部棧橋橋面以上的恒載、活載、風荷載等布置導算到支柱上。在計算風荷載時,由于棧橋結構形式的特點,主要承受風荷載部位是棧橋支柱頂部,而棧橋自重相對較輕,棧橋高側高度較高,因此對風荷載比較敏感,基本風壓應適當提高,同時應計算風振系數。計算過程中,可通過調整橫梁截面尺寸及橫梁間距,控制支柱長細比,保證側向剛度規則。支柱的柱間支撐通常采用中心支撐體系,包括十字交叉支撐、單斜桿支撐、人字形支撐和 K形支撐等,盡量采用十字交叉支撐,因其可按拉桿設計,容易滿足長細比要求,較經濟。同一榀支柱之間自上而下宜選用一種支撐類型,以使側向剛度和內力分布不出現突變。

橫向地震作用及風荷載由支架及支座分別承擔,橫向水平地震荷載應考慮棧橋總體質量重心與剛度中心不重合而引起的扭轉(當支架剛度相等,跨度布置均勻或相差10%以內時,可不考慮)。

3.2.3 計算時要注意把握以下幾點設計細節

(1)桁架結構支座桿的模擬。桁架結構計算模型為一邊簡支,一邊固定。STS模型輸入時應將桁架兩頭的節點包括桁架下的支座桿均設置為鉸支座,否則計算內力有誤。

圖6 棧橋橫向計算模型

(2)桁架結構模型中所有桿件應設置為柱,所有受力應作用在上下弦節點位置。

(3)結構計算中,上下弦桿平面內計算長度系數一般保持為-1,平面外計算長度取水平支撐的距離。

(4)分析桁架桿件內力時,可將節點視為鉸接。對用節點板連接的桁架,當桿件為 H型鋼剛度較大的截面,且在桁架平面內桿件截面高度與其幾何長度(節點中心間的距離)之比大于1/ 10(對弦桿)或大于1/15(對腹桿)時,應考慮節點剛性所引起的次彎矩。

(5)平面鋼桁架斜腹桿宜盡量設計為拉桿,充分發揮鋼材的受拉特性,節省鋼材。

4 棧橋支座(桁架與支架的連接)設計

對傾斜放置的棧橋,可動支座(滾動支座、滑動支座)布置在棧橋的上方,鉸支座布置在棧橋的下方。橋跨大于35 m時,不能再采用滑動支座,應采用滾動支座。滾動支座可分為單輥和多輥支座,單輥支座直徑不小于150 mm,多輥支座直徑不小于40 mm,在設計時可根據桁架的支座反力選用支座。根據鋼結構規范,多輥支座的反力R應滿足下列要求:

R≤(40ndL f)2/E

式中,d為輥軸直徑;n為軸數目;L為輥軸與平板的接觸長度。

支座節點的設計應滿足計算假定,通常斜桁架下部支座節點可設計成固定鉸支座,而中部和上部支座節點可設置成沿桁架長向可滑動的支座,這樣可避免在地震或其他偶然荷載作用下,由于桁架兩端建筑位移大小、方向不一致而引起的破壞。通常可在中部和上部支座下加設橡膠墊板以滿足計算假定,但應注意的是,在承重桁架的平面外,應采取措施,保證支座與下部支承結構間不能產生錯動,以保證結構的整體安全。

5 結 語

普通鋼棧橋在工業建(構)筑物中有著廣泛的應用。特別是長距離輸送棧橋,工程量大,投資多且與場地的布置密切相關,設計中既要保證結構安全,又要適當考慮整齊美觀,合理布置。正確地選擇棧橋結構形式和跨距可以簡化棧橋設計,滿足桁架的支撐和支架的限位要求,取得較好的綜合經濟效果。