全封閉煤場大跨度鋼結構棧橋的優化設計簡介

劉永鋒

（華電重工股份有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450000）

引言

近年來，在電力、鋼鐵、水泥等行業中，煤、鐵精粉、礦石等原料的大批量貯存正逐漸由大直徑環保封閉圓形貯料倉結構替代簡單的露天堆放形式，隨著貯存量的需求不斷提升，圓形貯料倉的直徑也需要不斷加大，從而導致了鋼結構進料棧橋的跨度也越來越大，這對設計工作者來說是個必須要克服的難題。

1 工程簡介

燃煤電廠建設中，輸送棧橋是主要的輔助生產構筑物之一。某電廠工程中，除了圓形貯煤倉之外，在其周邊還設有輸煤轉運站、輸煤棧橋等重要建（構）筑物和循環水管等地下管線[1]。貯煤倉的設計堆貯能力201500m3，堆料高度為33.1m，鋼筋混凝土圓形料倉直徑為120m、擋墻高度為17m，料倉沿圓周均勻的設置扶壁柱。該貯煤倉膠帶機進料棧橋總長約101m，其單跨最大達到72m。該輸煤棧橋作為煤料的唯一通道，其重要性是不言而喻的。工程情況如圖1所示。

圖1 120m直徑圓形料倉進出倉棧橋布置總圖

2 進倉鋼棧橋的結構形式和設計優化所采取的具體措施

鋼結構棧橋常規設計中，往往存在棧橋體系不十分合理、結構形式粗笨、計算采用平面桁架計算以及用鋼量較高等問題，

這種情況下棧橋的整體受力不明確，同時整體美觀性也受到一定影響[2]。在本工程中我們針對性地對設計方案做了如下優化處理：

2.1 計算模型的定型和優化

傳統的鋼結構棧橋計算一般采用PKPM中的STS等進行平面桁架計算，所有的荷載均簡化到平面桁架節點上，計算時假定全部構件為軸心受力構件，并且不考慮結構次彎矩對整體結構的影響，因此計算模型存在一定的缺陷[3]。本工程計算模型采用空間三維整體建模，忽略各節點處的轉角約束，將棧橋自重和外部荷載轉化為節點荷載添加在棧橋沿線；由于該棧橋跨度較大，為了保證其各個方向的穩定性，在桁架的上平面和下平面均設置了連接橫梁及水平支撐，連接橫梁同時作為承擔附屬結構的主構件。

本工程中鋼棧橋距地面較高，考慮到減少風荷載和地震荷載對棧橋本身的不利影響，設計中在鋼棧橋的橫向斷面適當高度處設置了橫向立面支撐體系，大大加強了棧橋的整體抗側穩定性，詳見圖2。

圖2 鋼棧橋橫向布置圖

2.2 鋼棧橋所要考慮的荷載類型

任何建構筑物都必須保證在其結構的正常使用周期內，具有足夠的承載能力。作為結構計算的基本信息，在該棧橋計算參數的輸入中考慮了以下幾種荷載類型：恒荷載12kN/支點（計算軟件自動考慮棧橋本身的自重，放大系數取1.2）；棧橋頂面活荷載0.5kN/m2；棧橋樓面工藝活荷載4kN/m2（豎向荷載中對棧橋影響最大的）；風荷載基本風壓值0.45kN/m2；屬于B類地區；基本雪壓值0.4kN/m2；地震荷載按照7度設防，II類場地土，采用振型反應譜法；荷載組合采用自動組合。

2.3 鋼棧橋的空間布置

進料膠帶機結構主要包含桁架、支柱以及附屬結構等。在倉外設置一個固定支柱用以承擔桁架的豎向力和水平方向的力。鋼棧橋與倉內中心立柱頂和倉外轉運站相搭接，并且搭接處采用滑動支座以減少棧橋對中心立柱和轉運站的不利水平作用力。由于棧橋離地面很高且棧橋迎風面很大，因此棧橋所受風荷載很大，這樣導致了固定支架產生巨大的上拔力，對基礎影響比較大。為此，在設計中將固定支柱橫向柱腳間距做了適當擴大，從而有效降低了基礎的上拔力，較好解決了基礎因為受力較大而難于設計的問題。

由于在棧橋內部要進行膠帶機的零部件檢修和維護等工作，必須要留出足夠的人員通行和設備施工空間，不便于設置橫向大角度交叉撐，因此，我們考慮在每組豎腹桿之間一定的高度處設置了由小型鋼組成的橫向鋼片，這些橫向鋼片提高了整個棧橋的橫向抗側剛度，有效減小了棧橋的橫向位移。

棧橋整體采用平行弦式結構，縱向弦桿采用H型鋼，端部框架也采用H型鋼，水平支撐采用方鋼管，棧橋兩側面斜腹桿采用方鋼管、對稱布置，鋼支柱及柱間支撐采用焊接圓管。

2.4 設計過程中所采用的各種優化措施

2.4.1 連續桁架的優勢和選用

國內多數的鋼棧橋設計都是簡化為平面結構計算，這種設計方法忽略了次彎矩的存在，未能使每個組成構件充分發揮其本身的材料特性，故與實際存在一定的偏差。該項目采用了連續桁架形式，棧橋弦桿和腹桿桿件內力比著簡支桁架普遍能小20%～30%，直接反映在構件上就是截面有所減小。這表明，連續桁架能夠使得桁架內力在主弦桿和腹桿間進行重分配，改善了受力形式，每個構件均能協同工作，節省了用鋼量，節省了項目成本。

2.4.2 鋼桁架的桁高選取

國內常見的棧橋高跨比一般定為1/12～1/10，而該棧橋取為了h/l=1/15；棧橋高度在滿足工藝膠帶機凈空要求的前提下設置了橫向桁架，大大改善了橫向剛度，使結構側向變形減少；弦桿的間距一般取為3m，按照《鋼結構設計規范》“當桿件為H型、箱型等剛度較大的截面，且在桁架平面內的桿件截面高度與幾何長度之比大于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”[4]，對此在空間分析中，我們將弦桿設計為“拉壓彎構件”以及節點板設計為半剛性節點來考慮次彎矩的影響，這樣的設計更加合理。

2.4.3 棧橋樓面選型及結構設計

通常情況下，大跨度鋼棧橋樓面所選用的是底模為1.2mm厚的壓型鋼板的混凝土樓面，造成樓面自重大以及鋼耗量比較大。在本工程中，鋼棧橋下平面距地面約39m，如采用常規的澆筑混凝土的工藝，勢必要相應加大對工藝和設備的要求，同時也會大大增加人力、物力成本。因此為施工方便考慮，本次工程中將樓面材料改用為滿鋪6mm厚的花紋鋼板，采用現場焊接方式進行施工。這種樓面形式自重小，僅為混凝土樓板的1/5，下部橋體的耗鋼量也隨之降低，且現場安裝簡單，不需要大型設備，施工現場整齊有序、時間短，比混凝土橋面節約一半的施工時間[5]。

3 優化設計產生的技術經濟效益分析

工程實踐中，在首先保證結構受力合理明晰、滿足實際使用要求、施工方案安全可行的前提下，經濟性是必須要重點考慮的因素。本工程對比采用了連續桁架方案，使得桁架內力在主弦桿和腹桿間進行重分配，改善了受力形式，每個構件均能協同工作，節省了用鋼量，節省了項目成本。

在設計中，將固定支柱橫向柱腳間距做了適當擴大，從而有效降低了基礎的上拔力，較好解決了基礎因為受力較大而設計成大尺寸、深基礎的難題，相應節約了基礎混凝土的用量。

常規設計中，棧橋高跨比一般取為1/12～1/10，而本工程取到1/15，在保證工藝合理要求凈空的前提下，使得棧橋高度由6m減小到了5.15m。材料成本在鋼結構主體建設工程當中往往占了最大比重，該項目通過合理的設計優化棧橋高度，相應減少了腹桿的用鋼量，為項目節約了材料成本。

由于進倉鋼棧橋的大部分都位于倉體內部，我們針對性地折減了附屬結構自重和風荷載的作用，使得棧橋受力更接近實際情況，同時也相應～減小了對中心立柱和轉運站的搭接作用力。

4 結論

在實際分析設計中采用Staad Pro三維軟件進行整體分析，將弦桿設計為“拉壓彎構件”以及節點板設計為半剛性節點來考慮次彎矩的影響，更真實的反應了桁架的實際受力狀態，確保了棧橋設計的安全性、適用性、經濟性以及合理性。

在滿足工藝空間要求的前提下，我們在大跨度棧橋橫向的上部補充設置了平面桁架，增強了桁架本身的抗扭剛度，減小了棧橋的整體側向位移。同時減小了腹桿的計算長度，對整體的結構受力有很大的改善，相應的也減少了工程量。

為減小風荷載對棧橋柱底的不利影響，設計中適當增大了支柱橫向柱腳間距，減小了對于基礎的上拔力，節約了基礎混凝土的用量，取得了一定的經濟效益。

鋼結構樓面由傳統的鋼模板加混凝土層組合方式調整為花紋鋼板形式，大大減輕了作用于棧橋下平面的恒荷載，更加能夠有效減小棧橋弦桿截面，降低用鋼量，使得項目取得了較好的經濟效益。

優化后的貯煤倉進倉鋼棧橋，不僅滿足了工藝等專業的功能上的各項要求，同時也節約了材料成本，取得了較好的技術經濟效益。本文針對日益增加的大跨度鋼棧橋設計，結合實際項目，總結提出了一些設計經驗，可供設計工作者參考。

[1]陳正彬.火電廠全封閉煤場大跨鋼結構棧橋優化設計[J].武漢大學學報（工學版），2010（S1）.

[2]李玉蘭.鋼結構棧橋設計中的一點體會[J].煤炭工程，2005（9）：15-16.

[3]姜云莆.漳州后石電廠全封閉圓形煤場大跨度進倉棧橋設計簡介[J].四川建筑，2002（22）：51-53.

[4]GB5007-2003 鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[5]徐蕓.90m直徑圓形貯煤倉進煤大跨度鋼棧橋設計優化[J].武漢大學學報（工業版），2007（40增刊）.