淺談大跨度鋼桁架通廊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

董湘乾

（中冶長(zhǎng)天國(guó)際工程有限責(zé)任公司 湖南長(zhǎng)沙 410000）

前言

隨著冶金工業(yè)建筑在我國(guó)大規(guī)模的建設(shè)，其中輸送焦炭、礦粉等各種原料及成品的皮帶通廊是必不可少的。為了滿足工藝流程和總圖規(guī)劃的要求，各種原料及成品礦需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的跨越和高差的提升。由于鋼桁架具有自重輕、跨度大和施工周期短的優(yōu)點(diǎn)，鋼桁架通廊被越來(lái)越多的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員采用。鋼桁架通廊是由若干榀平面桁架通過(guò)系桿、支撐等軸心受力構(gòu)件連接組成的空間桁架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。平面桁架的計(jì)算簡(jiǎn)圖通常是一個(gè)理想桁架，即計(jì)算桿件內(nèi)力時(shí)采用如下假定：①各節(jié)點(diǎn)都是采用絕對(duì)光滑而無(wú)摩擦的理想鉸相互連接；②各桿件的軸線都是絕對(duì)平直，且在同一平面內(nèi)通過(guò)鉸的中心；③荷載和支座反力都是作用在節(jié)點(diǎn)上并位于桁架的平面內(nèi)。理想桁架各桿件都是只承受軸力的二力桿。筆者近年來(lái)接觸了比較多的桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些問(wèn)題進(jìn)行過(guò)思考，本文結(jié)合曾經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)的一個(gè)大跨度鋼桁架，來(lái)對(duì)鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行一些有益探討。

1 計(jì)算模型

采用PKPM-STS進(jìn)行建模計(jì)算，該通廊跨度約為61.27m，桁架高跨比按1/12～1/5選取，考慮通廊荷載較小，本桁架設(shè)計(jì)高度取5.6m，高跨比約1/11，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。桁架端部豎桿及上、下弦桿均采用寬翼緣H型鋼HW400×400×13×21，桁架端部斜腹桿按壓桿設(shè)計(jì)，采用HW300×300×10×15，其余斜腹桿均采用雙角鋼，所有節(jié)點(diǎn)均采用連接板焊接連接的連接方式，材料均采用Q-235B級(jí)鋼。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.3.1，除端部斜腹桿外的所有斜腹桿的計(jì)算長(zhǎng)度均取0.8倍幾何長(zhǎng)度，除此之外，其余桿件計(jì)算長(zhǎng)度取幾何長(zhǎng)度。

圖1 計(jì)算簡(jiǎn)圖

2 應(yīng)力比分析

靜力分析采用的荷載組合為自重（鋼桁架）+恒載（包括走道花紋鋼板、膠帶機(jī)、上、下弦支撐等）+走道檢修活載。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，上、下弦桿的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力比控制在0.8左右。考慮到STS計(jì)算模型中，一般只考慮桁架平面內(nèi)豎向荷載的作用而沒(méi)有考慮平面外風(fēng)荷載作用，因此通過(guò)對(duì)上、下弦及腹桿的應(yīng)力比的一個(gè)控制，使整個(gè)桁架的安全度處于一個(gè)相對(duì)合理的水平，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的承載力和剛度，當(dāng)然如果需要考慮平面桁架平面外風(fēng)荷載影響，建議分別對(duì)上下弦桿和平面外支撐等桿件組成的另一個(gè)平面桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。若平面桁架計(jì)算強(qiáng)度應(yīng)力比過(guò)低，可以適當(dāng)調(diào)整降低桿件規(guī)格，應(yīng)力比值大小控制需根據(jù)實(shí)際情況和相關(guān)人員一起確定。

3 長(zhǎng)細(xì)比分析

對(duì)于跨度大于60m的大跨度鋼桁架，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：跨度等于或大于60m的桁架，受壓弦桿和端部壓桿的容許長(zhǎng)細(xì)比宜取100，其他受壓腹桿可取150；受拉弦桿和腹桿的長(zhǎng)細(xì)比不宜超過(guò)300。根據(jù)STS應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，受壓弦桿和端部壓桿主要是應(yīng)力比控制，而非長(zhǎng)細(xì)比控制，中部腹桿主要以長(zhǎng)細(xì)比控制為主，因此，合理的桿件選取是應(yīng)該在保證滿足長(zhǎng)細(xì)比要求的前提下，將構(gòu)件的應(yīng)力比盡量控制在合理范圍之內(nèi)。

4 撓度分析

該鋼桁架在恒載+活載下的跨中最大豎向位移為38.4mm，撓度約為1/1595。遠(yuǎn)小于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)鋼桁架的撓度限值1/400，這說(shuō)明鋼桁架平面內(nèi)豎向具有足夠的剛度。對(duì)于大跨度桁架當(dāng)豎向撓度超限時(shí)，必須在鋼桁架施工時(shí)預(yù)先起拱，若無(wú)超限，可以根據(jù)計(jì)算所得到的撓度對(duì)鋼桁架進(jìn)行預(yù)先起拱，預(yù)拱值即采用恒載+活載所產(chǎn)生的豎向撓度。

5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼桁架連接節(jié)點(diǎn)采用連接板焊接連接的“K”型節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)板焊縫長(zhǎng)度一般采用不低于構(gòu)件截面強(qiáng)度的焊縫連接。如對(duì)于斜腹桿雙角鋼2L110×10，其連接板焊縫長(zhǎng)度計(jì)算如下（取角焊縫高度hf=8mm）：

由于鋼桁架在計(jì)算時(shí)，桿件的應(yīng)力比控制在0.8左右，因此桿件本身強(qiáng)度已具備有一定的安全儲(chǔ)備。而對(duì)于按桿件截面強(qiáng)度計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)連接焊縫強(qiáng)度，因此也具有一定的安全儲(chǔ)備，這樣整體上保證了整個(gè)大跨度桁架的結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備，同時(shí)經(jīng)濟(jì)合理。

6 支座設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)桁架支座時(shí)，不但要考慮溫度應(yīng)力，還要考慮溫度變形所帶來(lái)的影響，若水平變形過(guò)大，會(huì)給通廊桁架帶來(lái)不利影響，溫度變形計(jì)算公式為：

ΔL=α·Δt·L

其中α=12×10-6為鋼材線膨脹系數(shù)，Δt為溫差，L為溫度變形不動(dòng)點(diǎn)到桁架體系計(jì)算區(qū)段端部的距離。

鋼桁架在計(jì)算平面內(nèi)內(nèi)力時(shí)并沒(méi)有考慮溫度應(yīng)力及變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，所以必須在布置形式上采取必要的措施，鋼桁架通廊的一般布置形式為低端采用固定鉸支座，高端為滾動(dòng)支座，中間設(shè)置側(cè)移剛度較弱的搖擺支架，中間段通廊桁架支座采用一端固定，一端留橢圓長(zhǎng)孔。通過(guò)分段桁架的滑動(dòng)和高端的滾軸移動(dòng)來(lái)釋放溫度區(qū)段應(yīng)力及變形。

7 結(jié)語(yǔ)及展望

在冶金工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大量的鋼桁架將會(huì)應(yīng)用到實(shí)際中，對(duì)于此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還應(yīng)在以下幾方面加以關(guān)注：

（1）對(duì)于大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)的抗震措施應(yīng)給予足夠的重視，尤其是對(duì)桁架低端固定鉸支座處。可根據(jù)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算通廊縱向水平地震作用，然后做出相應(yīng)的加強(qiáng)措施，如可以將低端固定鉸支座改為可有限滑動(dòng)的鉸支座1，用以釋放縱向水平地震作用力對(duì)支座的沖擊。應(yīng)注意此處支架柱不應(yīng)采用柔性支架，而應(yīng)采用具有一定側(cè)移剛度的支架柱，如混凝土支架柱或四腿鋼支架柱。

（2）鋼結(jié)構(gòu)存在節(jié)點(diǎn)多，現(xiàn)場(chǎng)施焊難度大的缺點(diǎn)，為了充分利用鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，便于大規(guī)模推廣鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，減少現(xiàn)場(chǎng)施工難度，應(yīng)加快鋼結(jié)構(gòu)材料及相關(guān)成品如圓鋼管、相貫節(jié)點(diǎn)以及滾動(dòng)支座及橡膠支座等構(gòu)件的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。

（3）利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，開(kāi)發(fā)更方便建模、更能準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)在各種工況下性能的設(shè)計(jì)軟件，同時(shí)對(duì)于以往經(jīng)驗(yàn)成果，如鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)等，應(yīng)能將相關(guān)設(shè)計(jì)成果歸納成庫(kù)，方便以后的設(shè)計(jì)參考及借鑒。

[1]《鋼結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）[S]．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003．

[2]《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50191-2012）[S]．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012．