大跨度鋼棧橋結構在采煤現場的設計應用

郭濤

（中煤西安設計工程有限責任公司，西安710054）

1 引言

通常在煤礦地面建筑的設計中，皮帶棧橋是連接驅動機房、篩分車間、原煤倉、產品倉及儲煤場等建構筑物的輸煤功能性構筑物。輸煤棧橋在煤礦開采現場作為運輸各級煤料的輸煤結構，起到了調節、運轉煤資源的作用。在結構選型方面，一般垂直高度不大于5m 的棧橋通常可采用砌體結構的形式，垂直高度在5～10m 的棧橋可采用鋼筋混凝土框架結構，而垂直高度大于10m 時，通常會采用鋼桁架的結構形式。鋼桁架具有自重輕、施工周期短、受力明確以及更符合力學假定等優點。在現代煤礦地面建筑設計中，鋼桁架在皮帶棧橋的運用越來越廣泛。

鋼桁架常采用的跨度在20～40m，30m 跨度的鋼桁架采用頻率尤其之多。隨著選煤工藝的不斷發展，為尋求更多的經濟效益，選煤工藝要求產品煤的種類更為細化，種類更多，對輸煤棧橋的要求也在不斷提高。現在的棧橋由傳統的單皮棧橋不斷發展到雙皮帶、多皮帶棧橋，棧橋的跨度也在不斷擴大。

2 鋼輸煤棧橋的結構組成

鋼輸煤棧橋的結構主要由2 大部分組成：鋼桁架通廊和鋼支架。鋼桁架棧橋的主體構件是由上弦桿、下弦桿、腹桿、上下弦水平支撐、端部門架等構件鉸接組成的靜定桁架結構，并設有走道板和圍護結構；鋼支架可采用框架結構或格構柱結構。

3 鋼桁架棧橋的設計

3.1 工程概況

本工程是某煤礦篩分車間至1#轉載站的輸煤棧橋，受當地地形限制，需要跨過當地村民祖墳，棧橋必須設計為大跨度才可滿足實際的建設要求。因此，設計過程中將此跨定為51m的鋼桁架棧橋。

3.2 桁架結構體系的合理布置

首先，為了保證棧橋在實際工作中的整體穩定，桁架的高跨比一般取1/8～1/12，就本工程而言，因跨度大，按此高跨比取值，桁架的高度在4.3～6.4m，如此取值高度過大，所以，設計時考慮采用在桁架跨中下弦桿拉應力產生較大的區域設置下拉桿，以減弱作用在桁架上的荷載對桁架桿件產生的內力。在設置下弦拉桿后，主桁架及下弦拉桿的高度均取3.3m；在寬跨比方面，大跨度桁架棧橋也應具有足夠的側向剛度，以保證在橫向風荷載的作用下，不會在橫向產生過大的變形，因此，寬跨比也有限值，一般情況下寬跨比在1/10～1/12，本工程寬4.4m[1]。

桁架由于跨度大，工作中桿件會產生較大的內應力，因此，上下弦桿及下弦拉桿均采用國標HW250mm×250mm 型鋼，腹桿采用常用的雙L 角鋼布置。桁架的上下弦水平支撐因需要起到承擔棧橋受到的橫向風荷載及提高桁架平面外剛度的考慮，故通常采用單角鋼X 交叉布置。桁架兩端門架采用H型鋼作為門架柱和門架梁。桁架最終布置如圖1 所示。

圖1 51m桁架結構布置形式

3.3 鋼支架設計的要點

3.3.1 鋼支架

首先，作為鋼桁架的支撐結構，考慮到桁架傳至支架頂端橫向風荷載的影響，鋼支架在設計時需考慮寬高比的要求，一般情況支架的寬高比不宜大于1∶6。其次，鋼支架在現場場地條件滿足的情況下，可選擇采用四柱框架結構形式。此形式在縱向和橫向剛度都能得到良好的保證[2]。若條件不允許，亦可采用格構柱的形式進行設計。

3.3.2 鋼支架基礎

設計鋼支架基礎時，應考慮抗傾覆和抗滑移設計。進行地基承載力計算的同時，還要考慮地基變形的驗算。當基礎采用樁基時，鋼支架傳至基礎的水平力和彎矩均較常規構筑物要大些，所以，在設計過程中，樁基在滿足單樁豎向承載力的同時，還要滿足單樁水平承載力和抗拔承載力的要求。

3.4 鋼桁架設計的要點

3.4.1 鋼桁架桿件

鋼桁架從力學特點方面來說就是格構梁，桁架的各個桿件之間通過鉸接連接形成穩定的靜定結構。各個桿件在理想狀態下僅受沿桿件軸向的拉應力。

在鋼桁架設計過程中，桿件首先需要滿足穩定設計的構造要求，其中最主要的指標就是長細比的滿足。GB 50205—《鋼結構工程質量驗收規范》中7.4 節有過規定，受壓構件的長細比允許限值為1/150，受拉構件的長細比允許限值為1/300。設計桁架時，選擇滿足長細比要求的桿件進行建模布置[3]。

在常規跨度的桁架設計中，桿件的強度計算應力比通常控制在0.9 以下，但大跨度棧橋由于跨度大，在實際工作中會因溫差的原因產生較大的溫度應力，橫向風荷載、水平支撐對桁架產生的支撐反力也較大。因此，在設計大跨度棧橋時，桿件的強度計算應力比應控制在0.8 或0.85 以下較為安全。

3.4.2 支座設計

鋼桁架受地震力、溫度應力或其他荷載的作用，會在桁架兩側產生縱向水平位移變形，故而在桁架設計時，會在鋼桁架兩側設置支座（高端為滑動支座釋放變形位移，低端為鉸支座），整個鋼桁架形成簡支靜定結構。

鉸支座一般滿足壓應力的設計要求即可；滑動支座在滿足壓應力要求的前提下，應注意滑動行程間距。可根據當地溫差和鋼材線膨脹系數確定滑動的行程間距。

3.4.3 局部細節設計

大跨度桁架由于跨度大，設置在桁架兩端的門架對桁架跨中的橫向扭轉的約束會隨著跨度越大而變得越弱。為了保證大跨度桁架跨中不會產生大幅度扭轉變形，要提高整個棧橋在橫斷面上剛度。通常可采用在桁架直腹桿和上弦橫梁夾角處設置隅撐，使局部形成穩定的三角形穩定節點，從而提高桁架在橫斷面方向的剛度，減弱扭斷變形對桁架的影響。

大跨度的桁架在設計時，由于桁架高度較常規桁架要高，在設計時，為了各個桿件能更好地發揮各自性能，桁架直腹桿和斜腹桿、上下弦桿和斜腹桿的夾角取40°～50°為宜，并在滿足夾角的前提下，節點間隔劃分盡量取偶數，也有利于整體桁架的內力分布[4]。下弦桿與下弦橫梁的連接通常采用的是螺栓連接，為了桁架輕量化，桁架選取的桿件翼板較薄，而下弦桿與下弦橫梁連接處會受到棧橋走道板傳來的比較大的集中荷載，為了保證下弦桿和下弦橫梁的局部剛度，下弦桿和下弦橫梁都需要加設加勁板以加強局部剛度。

4 結語

隨著煤礦建設規模的不斷擴大，開采產能的不斷提高，對地面生產工藝的要求不斷革新，促使地面構筑物的設計難度也不斷變大。大跨度的皮帶走廊應用也越來越頻繁，本文通過對大跨度桁架在合理布置、支架基礎、鋼桁架桿件、支座及局部細節等幾個方面進行論述探討，簡單說明了棧橋設計應用的需要考慮的內容。后續，在設計工作中筆者還將不斷總結完善大跨度棧橋的設計要點。