選煤廠鋼棧橋設計方法

董明和

在選煤廠運輸系統的設計中，鋼棧橋的設計是不可或缺的，棧橋的設計常采用鋼管球節點桁架支承于鋼筋混凝土支架結構形式，這是因為鋼管為各向同性桿件，抗拉、抗壓及其抗扭性能好，且此種桁架節點設計簡單，材料可以在工廠加工，施工簡單快速，用鋼量相比其他型鋼棧橋而言相對比較低，混凝土支架在煤堆中不宜腐蝕，由于具有上述優點，所以鋼管球節點桁架支承于鋼筋混凝土支架這種結構形式的棧橋廣泛應用于選煤廠運輸系統中，下面談談此種桁架的設計方法及其特點。

1 棧橋在建筑方面的設計要求

1)棧橋的結構安全等級和建筑抗震設防分類見表1。2)棧橋室內通道的最小寬度見表2。根據表2可計算出棧橋所需凈寬:單皮帶棧橋寬度(W)=皮帶支架寬(W1)+檢修道寬度(0.5 m)+人行道寬度(1 m)。雙皮帶棧橋寬度(W)=皮帶支架寬度(W1+W2)+檢修道寬度(0.5 m)+中間人行道寬度(1 m)+距設備固定部分人行道寬度(1.0 m)。3)棧橋縱向安全疏散距離不應大于75 m。4)輸送機棧橋中的拉緊裝置洞孔周邊應采取安全防護措施(設欄桿)。5)輸送機棧橋垂直于輸送機棧橋樓板斜面的凈高不應小于2.2 m。6)選煤廠輸送精煤的鋼棧橋樓板不宜為輕質樓板(鋪設花紋鋼板)，因為精煤含水量大，冬季鋼樓板不保溫，易結冰，角度大的樓板操作人員無法行走，所以盡量采用鋼筋混凝土樓板，現在一般采用栓釘將壓型鋼板焊接于鋼梁上，然后在壓型鋼板上澆筑混凝土(利用壓型鋼板做底模)。7)當輸送機棧橋與相鄰建筑物之間，7度及8度硬、中硬場地時，宜設防震縫;8度中軟、軟場地和9度時，應設防震縫。防震縫的設置應符合下列規定:a.棧橋與建筑物之間的防震縫最小寬度，當鄰接處棧橋屋面高度不大于15 m時，可采用70 mm;當高度大于15 m時，6度，7度，8度和9度相應每增加高度5 m，4 m，3 m，2 m，防震縫最小寬度宜再加寬20 mm。b.棧橋中部設置防震縫時，防震縫的兩側均應設置支承結構，縫寬可按上述a.執行。c.地下棧橋與地上棧橋之間應設置防震縫，防震縫位置宜在地下棧橋底板高出地面不小于500 mm處設置。

表1 棧橋的結構安全等級和建筑抗震設防分類

2 棧橋結構設計方法

2.1 荷載的確定

棧橋結構設計參數見表3。

2.2 桁架的高度確定及鋼管球節點桁架在軟件SFCAD的建模

1)桁架高度的初步確定:對于跨度小于30 m走廊，一般上下弦的高度(h)取跨度(L)的1/10(重型樓板)或1/12(輕型樓板)。對于跨度為30 m以上的走廊一般需設置帶下弦的雙層支撐，第一層(皮帶運轉層)一般取3.5 m，第二層一般也取3.5 m。

表2 棧橋室內通道的最小寬度 m

表3 棧橋結構設計參數

2)鋼管球節點桁架一般利用軟件SFCAD建模計算，下面談談利用該軟件設計此種桁架的方法:a.在軟件中輸入模型有兩種方法:直接輸入法:先把X，Y平面轉化為X，Z平面，把第一點當作坐標原點，利用坐標法將其他各點輸入。輸入方法是先把桁架的第一個節點和最后一個節點輸入，利用節點菜單下的增加節點→兩點間等分把第一個節點與最后一個節點之間的距離根據節間數等分。間接輸入法:導入DWG圖形，先在CAD下畫好需輸入的桁架模型，然后把桁架交點打斷，并存成2000版本格式的，因為SFCAD不認高版本的CAD，進入SFCAD后要旋轉平面:第一步:用修改菜單下的整體旋轉:XZ→YZ，選第一個點旋轉90°，然后利用XY→XZ轉換即可。b.支座的設置:鋼管球節點桁架在SFCAD中建模型時，支座上節點為滑動支座(X向可以自由移動，Y，Z方向固定)，支座下節點為固定支座(X向，Y向，Z向均固定)，因為水平力是往下推，所以把下節點設置成固定支座;鋼管球節點中建立豎直桁架時，是建立在X，Z平面內的，所有的球節點在Y方向均是固定的。c.選擇桿件:利用桿件菜單下的增桿直接繪出桁架模型。d.在荷載菜單下→修改荷載值→選球(可以連續選球)→加荷載值(荷載值要輸負值)，輸入上下弦節點的豎直荷載(靜載，活載，豎向地震荷載)輸入到節點上。注:棧橋本身可不進行水平地震作用計算;當棧橋跨度大于24 m時且處于烈度為8度，9度的地區，桁架應考慮豎向地震作用;豎向地震作用可采用重力荷載代表值與豎向地震作用系數的乘積，即:豎向地震作用=(恒荷載+0.5x活載)，x為豎向地震作用系數，豎向地震作用系數的取值詳見《構筑物抗震設計規范》5.3.2條表5.3.2。e.存盤→分析設計→進行內力設計。f.把風荷載下計算的桿件內力與在X，Z平面內計算的桁架內力相疊加，然后核算上弦桿(壓桿)的穩定應力和下弦桿(拉桿)的強度應力。g.為了避免鋼管桿件相碰，可把桁架支座處的腹桿鋼管換算成H型鋼。

2.3 鋼桁架桿件計算長度確定

鋼管球節點桁架桿件計算長度見表4。

表4 鋼管球節點桁架桿件計算長度

2.4 鋼桁架需驗算的內容

1)桁架的長細比控制。桁架桿件長細比見表5。

表5 鋼管球節點桁架桿件長細比

2)拉桿的強度應力(下弦桿)與壓桿穩定應力(上弦桿)限值控制，可根據不同鋼材牌號選用不同應力限值。

3)撓度:撓度計算可以在SFCAD菜單數據→RES文件下查出節點位移，然后利用節點最大位移與跨度之比驗算撓度，撓度限值根據《鋼結構設計規范》附錄A表A.1.1中4項取L/400(L代表桁架跨度)。

3 棧橋支架的設計

3.1 支架布置的要求

支架不宜布置在煤場中，無法避開時，應采用圓形截面，且應計入煤堆的側壓力，支架宜采用可靠的防護措施，并應防止推煤機碰撞的措施。料堆中的支架構件所承受的堆料壓力，應根據實際的堆煤高度按三角形荷載計算，并應考慮堆料壓力來自任何可能的方向。

3.2 支架結構設計要求

1)棧橋的支架宜優先采用鋼筋混凝土結構，也可采用鋼結構;6度及7度硬、中硬場地，且支架高度小于5 m時，可采用機制磚砌箱形結構，其他情況均不應采用磚支承結構。

2)同一棧橋的支架宜采用相同材料，不同材料之間應設防震縫。

3)輸送機棧橋橫向支承結構為柱承式時不應采用單柱，宜采用無外伸挑梁的框架形式。主要原因為:a.因為單柱支承橫向為懸臂結構沒有多余約束，地震作用下一開裂就倒塌;b.因為這種結構在側向力作用下其頂端變形較大。

4)支架一般采用雙柱或四柱支承結構，如采用雙柱支承結構，其橫向應按框架計算，縱向應按排架(把桁架當作剛性桿，把桁架的力傳到支架上)計算。如采用四柱支承結構，其橫向與縱向全部按照框架計算即可。

5)棧橋支架縱向剛度較弱時，宜采用四柱式框架支承結構或設置縱向支撐。

6)棧橋支架采用鋼筋混凝土框架結構時，應按照《構筑物抗震設計規范》第6.1.2條的規定確定抗震等級，并應符合相應的構造措施要求。在這里值得注意的是在2010版《建筑抗震設計規范》第6.1.5條中強調高度大于24 m的丙類建筑(棧橋及支架在選煤廠中屬于丙類建筑)不應采用單跨框架結構，所以高度大于24 m的支架不能設計為混凝土框架結構，如要采用四柱式支架，則高度大于24 m的支架設計為抗震性能好的鋼支架。

7)符合下列條件的棧橋支架，可不進行抗震驗算，但應滿足抗震構造措施的要求:a.7度硬、中硬場地時，鋼筋混凝土結構或鋼支撐結構。b.7度及8度硬、中硬場地和9度硬場地時，露天式棧橋的鋼筋混凝土或鋼支撐結構。

8)混凝土支架假如有皮帶拉緊裝置時，支架需進行封閉。一般支架采用加氣混凝土砌塊進行封閉。但通過筆者設計經驗，建議采用壓型鋼板(巖棉夾芯板)封閉，具體做法是混凝土柱外側預埋200×10寬通長鋼板，混凝土柱拆模后鋼板上焊接檁托，然后進行檁條安裝及壓型鋼板(巖棉夾芯板)封閉。

3.3 棧橋支架計算所需考慮的問題

1)計算支架所需考慮的荷載見表6。

表6 計算支架所需考慮的荷載

2)混凝土支架裂縫限值:a.當支架處于露天或煤堆中時，混凝土支架的裂縫限值為0.2 mm。b.當支架處于室內環境中時，混凝土支架的裂縫限值為0.3 mm。

3.4 支架的地基基礎設計

1)高度H≤30 m的支架按丙級計算，高度H＞30 m的支架按乙級計算。a.如基礎按乙級考慮，基礎除應進行地基承載力計算外，還應做變形驗算。b.如基礎按丙級考慮，一般只需做地基承載力驗算，但在下列情況之一時，應作變形驗算:支架周圍及其附近有堆煤或相鄰支架基礎荷載差異很大，可能引起地基產生過大的不均勻沉降時;軟弱地基或濕陷性黃土等復雜地基條件;基礎下分布有軟弱下臥層時;相鄰建筑物距離過近，可能發生傾斜時;地下水位近期內變化較大時。

2)輸送機棧橋一般較長，由于棧橋存在跨公路，跨河流等特點，所以支架所處的位置也不確定，支架應盡量避免處于斜坡或邊坡及河流內，如果支架避不開這些地形，支架的基礎還應計算下面兩點:a.位于斜坡或邊坡附近的建筑物應驗算其穩定性。b.地下水位埋藏較淺，支架存在上浮可能時，應進行抗浮驗算。

4 結語

本文淺談了鋼棧橋建筑、結構及基礎設計方面的內容，并著重介紹了鋼管球節點桁架支承于鋼筋混凝土支架此種棧橋的設計特點、設計基本方法及其思路，并提出了設計此種桁架、支架及基礎需注意的一些基本問題，可供從事選煤廠的土建設計人員參考。