輸煤棧橋桁架平面與空間計算對比

馮曉亮

摘 要：本文以國泰紙業（唐山曹妃甸）有限公司年產170萬噸造紙生產線一期工程自備熱電廠中的1#輸煤棧橋為例，著重介紹在鋼結構輸煤棧橋設計中，就平面模型和三維空間模型計算結果進行對比分析，為今后的工程設計提供參考。

關鍵詞：鋼結構輸煤棧橋;平面計算;PKPM（STS）;空間計算;Midas/Gen;有限元

1、工程概況和軟件介紹

本工程位于河北省唐山市曹妃甸開發區。1#輸煤棧橋位于轉運站與碎煤機房之間，全長49.0m，棧橋寬6m，高3m，水平傾角16°;棧橋支柱采用現澆鋼筋混凝土結構，上部橋身結構采用鋼桁架結構，橋身頂棚和側面采用輕型圍護結構。

PKPM（STS）是PKPM系列的一個功能模塊，既能獨立運行，又可與PKPM其他模塊數據共享;可以完成鋼結構的模型輸入、優化設計、結構計算、連接節點設計與施工圖輔助設計。本工程設計采用STS進行平面建模計算。

Midas系列軟件是由韓國浦項集團CAD/CAE研發機構研發的以有限元為理論基礎的分析和設計軟件，Midas/Gen作為Midas Family Program之一， 是土木、建筑部門通用的有限元分析和優化設計軟件。本工程設計采用Midas/Gen進行空間建模計算。

2、荷載及計算模型

2.1 荷載取值

1） 恒載（標準值）：屋面荷載為0.3kN/m2，因采用組合樓面，計算時取樓面荷載5.0kN/m2;

2）活載（標準值）：屋面活載取為0.4kN/m2，樓面荷載4.0kN/m2;

3）風載：基本風壓0.40kN/m2，地面粗糙度類別為A類;

4）地震作用：抗震設防烈度為7度，設計基本加速度為0.15g，設計地震分組為第二組。建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期值0.55s;

根據荷載規范及荷載取值，選取荷載組合工況進行結構整體受力分析及變形計算。

2.2 計算模型

2.2.1 PK平面模型

一般我們計算鋼桁架棧橋都將其拆分為四個平面結構體系：①由上弦桿、下弦桿、腹桿及端豎桿組成的主桁架，承受豎向荷載;② 由上下弦桿、橫梁及支撐組成的上下弦水平支撐桁架承受水平荷載;③ 支座處由立柱及橫梁組成的平面剛架承受兩個主桁架及支撐傳來的垂直及水平荷載。

用PKPM（STS）對主桁架進行建模計算。輸入桿件截面尺寸時要注意各桿件的允許長細比，按照規范相應規定執行。將輸煤棧橋所有荷載的一半折算成節點荷載施加到鉸接平面桁架上，最高端為滑動支座，其余為鉸接支座。

2.2.2 Midas空間模型

將端柱與其相連的上下橫梁剛接，形成封閉的剛架，上下弦桿作為一根梁單元與端柱形成平面框架，弦桿在節點處為連續的剛接節點，其他腹桿和橫梁在節點處以鉸接方式與弦桿鏈接。

3、分析截面及幾何尺寸

4、計算結果及分析

4.1 結構周期

Midas/Gen采用子空間迭代法進行特征值向量分析。結構的固有頻率先出現在剛度較小的方向和部位，對于本棧橋而言，橫向剛度相對較弱，所以第一振型為Y向的平動，第二振型為X向的平動，第三振型為Z向的彎曲加扭轉。

PKPM（STS）PK模型僅能計算X向平動，周期T為0.708。

4.2 應力比比較

PKPM（STS）計算的結果是應力比，而邁達斯直接顯示的是應力結果，故要將其轉化成應力比后再行對比。

經比較兩種模型發現，斜腹桿應力比差別很小，比如圈出的斜腹桿，STS計算應力比是0.54，邁達斯計算的應力是127.1，應力比就是127.1/215=0.59。空間模型的支座處的立柱、上下弦桿及豎腹桿應力比大多都比平面模型的稍大一些。比如圈出的立柱、上弦桿及豎腹桿的應力比分別為0.36，0.25和0.16，空間計算結果的應力分別為94.0，61.9和63.9，轉化為應力比分別是0.43，0.29和0.30。支座處的立柱，上、下弦桿及豎腹桿空間模型計算的結果比平面模型的大，主要是因為空間模型額外考慮了平面外傳來的水平荷載。

4.3 位移比較

結構在恒載+活載（標準值）作用下兩種模型的節點位移圖

下表表示圖12圈出的點的節點位移（STS/Gen）（節點從左到右依次編號）

從表中數據可以看出，兩種模型計算的節點位移有差別但是相差不大。

5、結語

1、經過結構周期、應力比及位移三個方面的對比，可以看出兩種模型在結構周期及位移方面相差甚小，平面模型的參考價值很大，應力比方面因空間模型額外考慮了平面外水平荷載，相對平面模型還是大一點，所以如果平時設計中采用平面模型進行簡化計算，那么構件的應力比不能太大，建議0.7～0.8為宜。

2、采用空間模型計算鋼桁架棧橋時，力學概念明確，從整體分析空間受力情況，使得計算結果更加精確合理， 不易出錯。但也必須對計算結果進行判斷，避免建模時不恰當的簡化導致概念性錯誤。

3、如采用平面模型計算時，應按照本文前述將其分為幾個平面結構體系分別計算，綜合考慮相互作用，這樣得到的結果就會更加接近空間模型，更加合理。

參考文獻：

[1] DL 5022-2012 火力發電廠土建結構設計技術規程

[2] DL5000-2000 火力發電廠設計技術規程

[3] GB 50017-2003 鋼結構設計規范

[4] Midas 軟件使用手冊

[5] 鋼結構設計手冊（第三版）