鋼管桁架結(jié)構(gòu)在輸煤棧橋工程中的應(yīng)用

李興坡

摘要：傳統(tǒng)的棧橋通常采用角鋼或槽鋼型鋼桁架，跨度較大時，人在棧橋上行走會有較強(qiáng)的顫動感。某煤礦通過采用空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)形式棧橋?qū)崿F(xiàn)61.9m跨大跨度棧橋，并解決了棧橋上行人時產(chǎn)生有較強(qiáng)顫動感的問題，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。文中對該結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了三維模型計算，對重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元仿真分析，并與傳統(tǒng)型鋼桁架棧橋用鋼量進(jìn)行對比分析。論證了該結(jié)構(gòu)形式的可行性和合理性。該結(jié)構(gòu)形式在大跨度棧橋設(shè)計中具有一定的推廣意義。

關(guān)鍵詞：棧橋;空間鋼管桁架結(jié)構(gòu);相貫線連接;有限元;三維模型

1 引言

輕型鋼結(jié)構(gòu)作為一種主要的承重結(jié)構(gòu)形式，其主要的構(gòu)件是以經(jīng)濟(jì)型材構(gòu)件為主，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系相比較，由于其圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料不同而使得性能較好，因此在煤礦建筑中的應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)的棧橋通常采用角鋼或槽鋼型鋼桁架，經(jīng)濟(jì)跨度一般為30m，設(shè)計最大跨度不宜超過50m。且跨度較大時，人在棧橋上行走會有較強(qiáng)的顫動感（尤其是樓面采用鋼骨架輕型板時）。因此，傳統(tǒng)的棧橋結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)不能滿足大跨度工程的設(shè)計要求?？臻g鋼管桁架結(jié)構(gòu)以其簡潔、美觀的視覺效果及最大的截面剛度，廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房、儲煤場、體育場等大跨度空間結(jié)構(gòu)^[1]。該結(jié)構(gòu)形式如能運(yùn)用到棧橋中將能很好的解決棧橋顫動問題，并能夠?qū)崿F(xiàn)棧橋的大跨度。

普通型鋼截面是單軸對稱，且多數(shù)情況下桁架桿件是由剛度（長細(xì)比或穩(wěn)定性）起控制作用。而在型鋼截面面積相等的條件下，鋼管截面的回轉(zhuǎn)半徑最大，約為雙角鋼的1.6～1.9倍，雙槽鋼的2.1～2.4倍。在強(qiáng)度相等的狀況下，鋼管桿件剛度最大。由于空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)截面剛度較大，能夠發(fā)揮鋼材質(zhì)量輕剛度大的優(yōu)點(diǎn)，采用Q345B鋼材，起到節(jié)能降耗的作用。

2 空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)棧橋計算分析

山西某煤礦，主斜井井口房至原煤篩分站帶式輸送機(jī)棧橋跨度達(dá)到61.9m，而傳統(tǒng)的型鋼桁架跨度已無法滿足設(shè)計要求。該工程采用上承式鋼管桁架結(jié)構(gòu)棧橋，其下部為圓鋼管桁架結(jié)構(gòu)，上部為門剛結(jié)構(gòu)。本文對鋼管桁架結(jié)構(gòu)棧橋進(jìn)行了計算分析及節(jié)點(diǎn)的有限元模擬，并與型鋼桁架棧橋用鋼量進(jìn)行對比。目前，棧橋已投入運(yùn)營，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)顫動問題。

2.1 三維模型計算

傳統(tǒng)的型鋼桁架結(jié)構(gòu)通常采用PKPM軟件中STS模塊計算，將一榀桁架進(jìn)行平面受力計算，桿件的應(yīng)力比控制在0.85左右，余下0.15倍的承載力用來抵抗計算模型中未計入的平面外地震作用和風(fēng)荷載?？臻g鋼管桁架結(jié)構(gòu)分別采用MIDAS和MSTCAD二種計算程序進(jìn)行三維模型計算，考慮幾何大變形對結(jié)構(gòu)受力的影響^[2][3][4]。工況組合中加入地震作用和風(fēng)荷載，使結(jié)構(gòu)模型受力形式更接近真實(shí)情況，更好的體現(xiàn)了空間結(jié)構(gòu)的整體性能。

鋼管桁架最大應(yīng)力出現(xiàn)在跨中下弦桿GJ2，應(yīng)力為179.5N/mm²，滿足規(guī)范要求。二種軟件計算結(jié)果較為接近。在標(biāo)準(zhǔn)組合下，棧橋豎向撓度值為146.4mm<[L/400]=154.8mm，滿足設(shè)計要求。

2.2 空間相貫節(jié)點(diǎn)有限元分析

空間相貫節(jié)點(diǎn)是指處于不同平面的多根鋼管通過相貫焊接的形式連接在一起而形成的鋼管結(jié)構(gòu)，是空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)最主要的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式。

由于空間節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀況非常復(fù)雜，很難通過理論方法精確地計算空間相貫節(jié)點(diǎn)的極限承載力。本文以下弦桿節(jié)點(diǎn)為研究對象，采用MIDAS FEA軟件中的殼單元對空間相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元仿真分析。計算中忽略焊縫以及殘余應(yīng)力影響。有限元分析中所用材料為Q345B鋼材，軸向力為結(jié)構(gòu)整體模型在最不利工況下計算的桿件設(shè)計值。計算得出的Von Mises應(yīng)力云圖如1所示，節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在主管側(cè)壁上與支管間搭接位置處、主管外側(cè)。最大應(yīng)力為267.6 N/mm²，滿足規(guī)范要求，節(jié)點(diǎn)處受力較大、應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。

3 經(jīng)濟(jì)參數(shù)對比

用鋼量是棧橋項目的主要經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，為對比空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)棧橋與型鋼桁架結(jié)構(gòu)棧橋的經(jīng)濟(jì)效益，本文對山西、內(nèi)蒙、甘肅等地煤礦的桁架棧橋工程用鋼量進(jìn)行了整理對比，對比結(jié)果見圖2。根據(jù)用鋼量對比圖，可知：1）傳統(tǒng)型鋼結(jié)構(gòu)棧橋經(jīng)濟(jì)跨度為30m; 2）鋼管結(jié)構(gòu)棧橋用量隨結(jié)構(gòu)跨度增大而線性增長;3）當(dāng)棧橋跨度大于40m時，采用空間鋼管結(jié)構(gòu)能取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。

4 結(jié)語

4.1 空間鋼管桁架形式能夠?qū)崿F(xiàn)棧橋超大跨度的要求，該結(jié)構(gòu)形式剛度較大，能夠有效解決因棧橋剛度不足而產(chǎn)生的顫動問題。

4.2 空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)通過三維模型計算，在工況組合中能夠更好地體現(xiàn)風(fēng)荷載和地震作用力對結(jié)構(gòu)的影響，使結(jié)構(gòu)模型受力形式更接近真實(shí)情況，更好的體現(xiàn)了空間結(jié)構(gòu)的整體性能。

4.3 空間鋼管結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免同一個節(jié)點(diǎn)處連接多根鋼管，且支管之間宜避免相互搭接，減少節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力集中。

4.4 當(dāng)棧橋跨度大于40m時，采用空間鋼管結(jié)構(gòu)能取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]董石麟， 羅堯治， 趙陽等. 大跨度空間結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐與學(xué)科發(fā)展[J] . 空間結(jié)構(gòu)， 2005，12.

[2]郭棟 謝榮.輸煤棧橋的設(shè)計現(xiàn)狀和探討[J].工業(yè)建筑 2012，S1

[3]文慧波.帶式輸送機(jī)通廊鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計[J];工程設(shè)計與研究;2009年02期

[4]趙仕釵 火電廠輸煤棧橋抗連續(xù)倒塌性能研究 [D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文，2012