試論大跨度鋼桁架帶式輸送機的棧橋設計

馬琴

摘 要：大跨度鋼桁架帶式輸送機棧橋是煤炭礦井以及大型電廠等工業場地中十分重要的構筑物，隨著社會的發展及煤炭自動化運輸的需求，鋼棧橋的跨度越來越大，然而，我國針對其相應的設計規范并沒有進行統一編制和規定。文章通過對某煤礦鋼結構棧橋選用平行弦桁架和下撐式桁架進行綜合的技術、經濟比較和研究，認為封閉式大跨度鋼棧橋選用平行弦桁架較為合理。

關鍵詞：輸煤棧橋；大跨度；鋼桁架；結構設計

中圖分類號：TU391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0102-03

引言

在煤炭礦井、洗煤廠以及大型電廠等工業場地的構筑物當中，棧橋在整個內部運輸系統當中發揮著極具重要的作用，是整個運輸系統的重要組成環節；尤其是其內部相應的帶式輸送機更是作用巨大，其能夠將矸石、塊煤及原煤等所需原料，運送至主廠房及破碎車間等建筑物當中，使其進行儲存及洗選操作。依據棧橋廊身在結構形式上的差異，可將其劃分為鋼與鋼筋混凝土的組合結構、鋼結構、磚石結構以及鋼筋混凝土結構等。隨著這些年工業現代化步伐的加快，鋼結構棧橋受到廣泛重視和應用，其自身具有重量輕、造型美觀、抗震性較好及跨度大等特點，尤其是在那些較長距離運送的狀況下，大跨度鋼桁架棧橋的應用更為廣泛。

本文以某煤礦工業場地內新應用的輸煤系統棧橋為例予以研究分析。輸煤棧橋結構安全等級二級，耐火等級二級，屋面防水等級為三級，抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為6度，地震加速度0.05g，所屬的設計地震分組為第三組。結構設計的使用年限是50年。棧橋為全封閉的單皮帶機鋼結構棧橋，膠帶機支腿中心線距離為1.69m，棧橋橋體寬度為3.6m。此棧橋距地面的最大高度為58m，最小高度20m，爬升高度為38m。本文選取輸煤系統棧橋中一跨度為44m棧橋進行討論。針對大跨度棧橋采用不同結構形式進行比較分析，并對大跨度鋼桁架棧橋的施工時制作安裝等方面做出闡述，并最終實現最優的桁架結構設計。

1 棧橋結構形式分析

針對當前我國大跨度輸煤棧橋來講，其在具體的結構形式上，通常情況下采用鋼桁架結構，此種結構形式在具體應用經驗上已經比較成熟，而采用封閉式的棧橋在實際當中更為合理，其不僅對于承受荷載具有突出的作用，并且對整個封閉體系來講，鋼桁架提供了牢固的骨架支撐。桁架上下弦多采用等肢雙角鋼或H型鋼，桁架腹桿一般采用雙角鋼或雙槽鋼。桁架的節間長度應根據桁架的高度、樓板的跨度以及腹桿的角度來確定，一般3m左右較為合適。桁架節間數盡量布置成偶數，當不能布置成偶數時，中間可采用交叉斜腹桿；端部斜腹桿應下斜至棧橋支座方向受力較合理。桁架的高度一般為桁架跨度的1/12～1/5。桁架弦桿和腹桿之間的夾角應控制在35°～55°。承重桁架所受豎向荷載主要為通過橫梁傳來的樓面及屋面荷載和支撐的自重以及部分屋面有軌道吊車的吊車荷載。內力分布為上弦桿受壓，端部壓力較小越往中部壓力越大；下弦桿為拉壓共存，端部受壓中部受拉，端部及有下撐處連接腹桿受力大于其他腹桿。水平荷載對水平支撐桁架弦桿的作用力應作為附加荷載加載到承重桁架上，按照工程實際經驗，該附加荷載占總豎向荷載作用力的15%左右，在截面余量遠大于15%的情況下可不另外計算。棧橋常見跨度一般為25～35m，主要采用三角形梁式桁架。其優點是弦桿的規格數量不多，不支撐橫梁的豎桿只起到支撐弦桿的作用，內力為零；支撐橫梁的豎桿承受局部荷載，內力極小但截面相同。當棧橋跨度大于40m時，采用三角形梁式桁架就不顯得經濟實用，應采用帶下撐式鋼桁架結構。這種桁架跨度可限制在100m以內，屬于一次超靜定結構。當跨度再加大時，就需要采用預應力桁架了，否則一般的梁式桁架的高度不能滿足要求。

在進行常規設計當中，桁架結構被看做是鏤空的簡支梁，輕巧簡單，從力學方面分析，桁架結構與簡支梁的彎矩圖相似，上下弦桿的軸力分布均勻，上弦桿受壓，下弦桿受拉，共同作用抵抗彎矩作用。桁架在具體的結構形式上主要包括兩種，分別為下撐式和平行弦式。當采用平行弦桁架時，其相應的支座主要在下弦兩端節點位置處。對于平行弦桁架來講，在桁架平面高度范圍之內，可將其作為圍護結構相應的側墻骨架，外側掛檁條即可成為墻面；當采用下撐式桁架時，其相應的支座主要在上弦端節點位置處，其優點不僅是桁架自重有利于結構的整體穩定，而且從受力途徑上講，下撐式桁架的結構簡圖與梁構件的彎矩包絡圖較為接近，因此在受力方面也更為合理。對于下撐式桁架來講，其缺點也顯而易見，即比較適用露天結構，針對本項目的設計棧橋上部結構，考慮在下撐式桁架上部做門式剛架結構，一方面為了做到棧橋的圍護，另一方面采用門式鋼架用以達到節約鋼材的目的。為保證桁架的整體穩定，在桁架的兩端設置較強的門形剛架。而對于桁架的支撐體系，在桁架上、下弦平面內沿全長設置縱向和橫向水平支撐。

2 計算荷載取值

本次棧橋設計的活荷載按照《洗煤廠建筑結構設計規范》GB50583-2010及《建筑結構荷載規范》GB50009-2012（以下簡稱《荷載規范》），棧橋活載荷載取值如下。

《荷載規范》第5.3.3規定不上人屋面活荷載可不與雪荷載和風荷載同時組合，此處基本雪壓低于基本風壓，因此本次設計時活載組合考慮屋面活載和風荷載的組合。

棧橋恒荷載取值如下：（1）屋蓋為100厚巖棉夾芯板及檁條其標準值為0.35kN/m2。（2）墻面為100厚巖棉夾芯板及檁條其標準值為0.35kN/m2。（3）樓面為70厚砼和波高為130mm壓型鋼板組成的組合樓板，折算自重標準值為3.38kN/m2。（4）鋼結構構件自重由計算軟件《鋼桁架計算程序》自行進行計算。

桁架結構及其支撐受力計算時將上述面荷載轉換成對棧橋節點的集中荷載，輸入《鋼桁架計算程序》PKPM軟件中的STS鋼桁架模塊，就可以得到相應的計算結果。

3 平行弦桁架設計endprint

本次討論跨度為44m鋼桁架棧橋，其最高處距地面高度為20m。設計初步確定桁架結構高度時，可按照1/10～1/15的相應跨度進行確定，通過對建筑的使用要求及外形美觀在工程當中的實際應用，本次設計采用矢高3.5m。桁架計算簡圖如圖1，工程現場傾斜度為6.2°。

為承受水平荷載，并保證棧橋的整體穩定，需要設置棧橋的支撐體系。本工程棧橋橋體水平支撐的設置如下：在桁架上弦和下弦平面內，分別設置橫向水平支撐，間距為2.5m，總共為18跨；且每間隔2.5m，在兩榀鋼桁架之間上下弦處各設置17道水平橫梁，上弦支撐平面水平橫梁之間設置K型角鋼支撐；下弦支撐平面水平橫梁之間設置通長系桿且在桁架兩端及中部設置交叉支撐，以此達到對棧橋底板以及走道板進行支撐的效果。為保證棧橋的整體穩定，根據在桁架兩端位置處設置門形鋼架。桁架的支座按照一端為滑動支座另一端為固定支座進行設計。通過《鋼桁架計算程序》（PKPM-STS）的鋼桁架模塊?？紤]到桁架上下弦平面內水平支撐的重量沒有輸入到模型中，因此桁架設計時按照強度計算應力比限值0.85，穩定計算應力比限值0.85進行考慮，留出一定的富余量。鋼桁架模塊建模計算并優化后：上下弦采用H400X250X10X16；端門架采用HW300X300；斜腹桿最大桿HW200X200，最小桿HW125X125；豎桿HW100X100。水平風荷載由桁架上下弦平面內橫向水平支撐承受，設計水平支撐時考慮建模計算。上弦平面內橫向水平支撐采用HW125X125間距2.5m，K型支撐L63X4間距2.5m。因桁架下弦平面不僅承受水平風荷載同時支撐著組合樓板，所以下弦平面內橫向水平支撐采用工25a間距2.5m，保證棧橋縱向穩定，在棧橋中部設置縱向通長系桿L50X4，棧橋兩端及中部設計交叉支撐2L50X4以保證其穩定。

4 下撐式桁架設計

同樣以跨度為44m鋼桁架棧橋為例，為了保證橋體的封閉，在下撐式鋼桁架上部設置用鋼量較省的門式鋼架結構。共計設置19榀門式剛架間距2.5m，其中棧橋兩端設置較強門型剛架。橋體寬度與平行弦桁架棧橋相同均為3.6m。設計下撐式桁架結構失高時，考慮其受力特性及經濟性采用3.5m。下撐式桁架計算簡圖如圖2，工程現場傾斜度為6.2°。

采用下撐式桁架，其上弦平面支撐上部整個結構體系，因此在桁架上弦平面內，分別設置水平支撐，間距為2.5m，總共為18跨：每間隔2.5m，在兩榀鋼桁架之間上弦處設置17道水平橫梁，將縱梁在水平橫梁間進行設置，并設置角鋼交叉支撐間距為5.0m，以此達到對棧橋底板以及走道板進行支撐的效果。在下弦平面內，設置橫向水平支撐間距2.5m，交叉支撐間距22m。在桁架兩端位置處設置門形鋼架。桁架的兩端支座按照一端為滑動支座另一端為固定支座設計。經核算上部門式剛架梁柱截面均為[]14a對焊。將門式剛架傳來內力，并將屋面、樓面及墻面的面荷載轉換成對下撐式桁架上弦節點的集中荷載，通過將其輸入至《PKPM計算程序》STS中的鋼桁架模塊，進行計算并不斷優化設計結果后：上弦采用HM340X250，下弦采用H600X250X10X16；端門架采用HW300X300；斜腹桿最大桿HW175X175，最小桿HW125X125；受壓豎桿HW150X150，其余豎桿取HW100X100；上弦平面內橫向水平支撐采用HN300X150間距2.5m，交叉支撐L63X4間距5.0m。下弦平面內橫向水平支撐采用工20a間距2.5m，交叉支撐L50X4間距5.0m保證棧橋縱向穩定。桁架上部門式鋼架梁柱均選截面為[]14a對焊，屋面及柱間交叉支撐均為L63X4。

5 兩種橋體結構經濟對比

將跨度為44m的單皮帶機帶式輸送機棧橋分別采用平行弦鋼桁架及下撐式鋼桁架進行方案比較，對比其所存在的經濟性。本次設計中的檁條、夾芯板、組合樓板對于兩個方案來講用量相同，故不列入表中。經筆者核算統計后，兩種結構的鋼材用量比較見表2。

按照每噸鋼材的制作與安裝花費5600元考慮，平行弦桁架比下撐式桁架總造價節約1.87萬元，節約率為9.6%。通過對比可知，本次44米跨度的封閉式帶式輸送機棧橋采用平行弦鋼桁架結構較為經濟實用。前文提到的下撐式桁架結構圖和彎矩圖接近的這個優點因為上部門式鋼架的用鋼量消耗，整體優勢不存在。但是從單榀桁架制作安裝來說，平行弦桁架耗鋼量比下撐式鋼桁架多8.3%。因此當棧橋為露天棧橋時，相同跨度的鋼桁架，下撐式結構受力更合理，采用下撐式鋼桁架耗鋼量較少，優勢較為明顯。

6 鋼結構制作安裝及施工要求

大跨度鋼棧橋相比普通棧橋來說，施工要求更為嚴格。大跨度鋼棧橋安裝過程中，高強度螺栓連接之處的構件接觸面需要進行噴砂處理，接觸面抗滑移的系數應≥0.45；鋼結構制作、安裝及驗收不僅要滿足設計圖的要求，同時還需要滿足《鋼結構工程施工質量驗收規范》（GB50205-2001）的要求；所有構件長度及支座底的標高都主要進行現場實際放樣，確定尺寸無誤之后才可以進行加工支座。桁架需采用節點板來進行連接，腹桿間的凈距應≥15mm，節點板邊距同腹桿軸線的夾角應≥20°。大跨度鋼桁架橋梁中的普通螺栓需滿足如下要求：C級螺栓的性能等級需要達到4.6，錨栓的等級應為Q345-B；高強度螺栓需要滿足：10.9級螺栓，摩擦型的高強度螺栓其摩擦系數應≥0.45。大跨度鋼桁架橋梁中的焊條、焊絲、鋼材、連接材料、涂料、底漆、螺栓、面漆等都需要附有相應的質量證明書。本工程平行弦桁架結構、端部門架及支撐等材質均屬于Q235B；下撐式桁架除下弦桿采用Q345B外，其余構件材質均屬于Q235B。結構材料的性能不僅要符合《低合金高強度結構鋼》（GB/T1591-1994）的規定，還要符合GB/T700-1988規定，并還要滿足《建筑抗震設計規范》中的要求。

為改善外觀和符合使用條件，施工大跨度鋼結構桁架時，跨度大于24m的棧橋在鋼結構拼裝時應預留一定的起拱量，一般可取為恒載標準值加1/2活載標準值所產生的撓度值，也可根據實際需要而定，業內通常做法是對于跨度大于等于24m的梯形或平行弦桁架，起拱度可取為棧橋跨度的1/500。

7 結束語

當前我國對煤炭資源進行了整合，小煤礦逐漸取消，礦井多建設至山區，需要跨越河流、鐵路等，受場地限制，棧橋跨度越來越大。本文通過對封閉式大跨度鋼桁架棧橋上述兩種結構進行分析和比較可知，對于大跨度帶式輸送機封閉棧橋來講，其采用平行弦鋼桁架結構在經濟方面有一定的優勢。通過對單榀鋼桁架用鋼量的比較，說明下撐式鋼桁架耗鋼量較省，因此在不需要封閉的露天棧橋中，下撐式鋼桁架更為經濟合理。在具體的煤礦或電廠棧橋設計和建造過程中，要懂得善于運用鋼桁架的不同結構形式。具體工程實例中也可以根據實際情況，可考慮兩種結構形式相結合使用，比如帶下撐的平行弦桁架，以達到較好的設計效果。

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