新環(huán)保政策下鋼結(jié)構(gòu)通廊設(shè)計要點

武雅卿

南京廣建設(shè)計工程有限公司 江蘇 南京 210044

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)企業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)能日益提高。這一方面滿足了人民對物質(zhì)文化生活的需求，同時也帶來了諸如環(huán)境惡化、產(chǎn)能過剩等嚴(yán)重問題。為了解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中遇到的問題，國家制定了嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)政策，并要求各行各業(yè)必須認(rèn)真貫徹和執(zhí)行。尤其是在2020年9月22日中國政府向全世界莊嚴(yán)許下碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)以后，綠色規(guī)劃、綠色設(shè)計、綠色投資、綠色建設(shè)的理念被提升到前所未有的高度。這對工業(yè)設(shè)計提出了更高的要求：不僅要滿足安全性和使用性要求，同時也要滿足低碳和環(huán)保要求。本文以冶金企業(yè)中最常見的構(gòu)筑物——鋼結(jié)構(gòu)通廊為例，重點闡述其在新政策、新規(guī)范要求下的設(shè)計要點，剖析了傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)通廊設(shè)計過程中易忽略的問題。

1 通廊荷載的取值

根據(jù)《鋼鐵企業(yè)膠帶機(jī)鋼結(jié)構(gòu)通廊設(shè)計規(guī)范》（YB 4358-2013）的規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)通廊承受的荷載主要包括工藝荷載、通廊自重、電纜和管道荷載、風(fēng)荷載、積雪荷載、積灰荷載、均布活荷載、溫度作用、地震力等。

對于正常的廊身來說，積雪荷載按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）取值。但當(dāng)廊身與建（構(gòu)）筑物相連形成陰角時，應(yīng)按規(guī)范要求考慮積雪的不均勻堆積。其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)、上弦橫梁按積雪不均勻分布最不利工況計算；縱向桁架按全跨均勻、不均勻分布、半跨均勻分布三種工況分別計算。

通廊的風(fēng)荷載可以按照荷載規(guī)范來計算，即ωk=βZμsμzω0。其中風(fēng)荷載體型系數(shù)μs按照《鋼鐵企業(yè)膠帶機(jī)鋼結(jié)構(gòu)通廊設(shè)計規(guī)范》附錄之要求取1.7[1]。

傳統(tǒng)設(shè)計過程中，當(dāng)通廊高度較小時往往不考慮風(fēng)振系數(shù)βZ。但在國家住建部新發(fā)布的《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》（GB55001-2021）中，第4.6.1條已經(jīng)明確指出：垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)在基本風(fēng)壓、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)荷載體型系數(shù)、地形修正系數(shù)和風(fēng)向影響系數(shù)的乘積基礎(chǔ)上，考慮風(fēng)荷載脈動的增大效應(yīng)加以確定。其中，主受力結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)按荷載規(guī)范確定，但不應(yīng)小于1.2；圍護(hù)結(jié)構(gòu)的放大系數(shù)不應(yīng)小于1+，式中μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)[2]。通過對比隨機(jī)振動理論和荷載規(guī)范提供的風(fēng)振系數(shù)法兩種計算方法得出的結(jié)果，可得到以下結(jié)論：隨著通廊支架高度的增加，風(fēng)振系數(shù)逐漸變大，但當(dāng)支架高度為20～40m時，通廊廊身風(fēng)振系數(shù)變化幅度不大，但支架的風(fēng)振系數(shù)變化很明顯；B類地貌下，當(dāng)支架高度大于30m時，采用隨機(jī)振動理論和風(fēng)振系數(shù)法計算得到的支架風(fēng)振系數(shù)接近，由于支架迎風(fēng)面積較小，對設(shè)計影響有限，故工程設(shè)計時可偏于保守考慮，按荷載規(guī)范確定風(fēng)振系數(shù)[3]。綜合考慮，封閉通廊桁架計算時采用的μz可以取1.2～1.3；支架計算時的μz按荷載規(guī)范計算取值，以下給出參考值（僅作用于支架的迎風(fēng)面上）[4]。

表1 通廊支架風(fēng)振系數(shù)

桁架計算必須考慮橫向風(fēng)對桁架上、下弦桿的影響。如圖1所示，在左風(fēng)影響下廊身受到水平向右的推力，平均分配到上下弦桿上。該推力在桁架弦桿上產(chǎn)生的橫向彎矩為。式中：ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，h為通廊迎風(fēng)面高度，l為通廊跨度。該彎矩對上下弦所在水平面內(nèi)的弦桿1和弦桿2均產(chǎn)生了一壓一拉的效果，兩個力大小相同，方向相反，因而構(gòu)成一對力臂為b的力偶，其大小等于風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平向彎矩。因此可得出通廊弦桿受到的軸向力。當(dāng)對桁架建模計算時，該軸向力應(yīng)加在弦桿的兩端，如圖2所示。

圖1 通廊斷面圖

圖2 風(fēng)荷載作用下HJ1節(jié)點受力示意圖

當(dāng)通廊的溫度區(qū)段劃分不滿足規(guī)范要求，或通廊地處冬夏溫差很大的內(nèi)陸地區(qū)時，需要考慮通廊的溫度荷載。溫度荷載只在計算通廊支架時考慮。根據(jù)規(guī)范要求：縱向水平推力Pf=3EIΔL/H3，通廊支座處熱膨脹值ΔL=KtLjαΔt。其中Kt為保溫系數(shù)，對封閉通廊來說取0.6；Δt為通廊安裝合攏時室外溫度與環(huán)境極限溫度的溫差；Lj為溫度區(qū)段內(nèi)變形約束中心點至計算支座間廊身水平投影長度；α為鋼材線膨脹系數(shù)。根據(jù)公式可以推斷出增加固定支架、避開極限溫度環(huán)境下安裝施工可以有效降低通廊的縱向溫度應(yīng)力。

鋼結(jié)構(gòu)通廊的計算包括桁架和支架兩部分，都是非常簡單的計算模型。在當(dāng)前計算機(jī)模擬技術(shù)日臻完善的情況下，只要荷載考慮清楚，結(jié)構(gòu)也就很明確了。

2 通廊的結(jié)構(gòu)布置

膠帶機(jī)是冶金、煤炭、水泥等行業(yè)重要的轉(zhuǎn)運設(shè)備，作為其載體的通廊在上述行業(yè)的工廠里得到了普遍應(yīng)用。很多超長超高通廊甚至成為工廠的地標(biāo)。普通的膠帶機(jī)通廊跨度大于18m時往往采用鋼結(jié)構(gòu)，特別是采用兩榀豎直桁架并用支撐將其上、下弦連接成空間結(jié)構(gòu)的通廊更具有明顯的優(yōu)勢。憑借自重小、抗震性能好、加工制作方便和安裝快捷等特點，鋼結(jié)構(gòu)通廊逐漸成為通廊主要形式。按照國家環(huán)保政策要求，通廊均應(yīng)采用封閉式結(jié)構(gòu)。

通廊的結(jié)構(gòu)劃分應(yīng)當(dāng)在規(guī)范許可的范圍內(nèi)，根據(jù)工藝需要和建設(shè)場地內(nèi)的總圖布置情況綜合考慮。通廊支架作為廊身的主要支承結(jié)構(gòu)可以分為單片支架和雙片固定支架，其設(shè)置應(yīng)根據(jù)通廊相連建（構(gòu)）筑物的距離以及溫度區(qū)段來確定。設(shè)置單片支架的主要目的是合理劃分通廊跨度和傳遞廊身橫向、豎向荷載；除此之外，設(shè)置固定支架的另外一個主要目的是保證通廊及其支架和相鄰建（構(gòu)）筑物能夠共同形成完整的縱向穩(wěn)定體系和抗震體系。以此傳遞縱向力。

對于封閉通廊來說，一個溫度區(qū)段最長可取180m。因此當(dāng)廊身長度不超過180m，且一端固定于建（構(gòu)）筑物上時，可以只設(shè)單片支架；廊身超過180m時，按每180m設(shè)置1～2個固定支架為宜。兩個溫度區(qū)段之間設(shè)置變形縫，縫寬不小于105mm。當(dāng)廊身與建（構(gòu)）筑物之間設(shè)置變形縫時，通廊端部支座應(yīng)設(shè)在柱子外側(cè)牛腿或附加梁上，不宜伸到建（構(gòu)）筑物里面；當(dāng)有坡度的通廊在固定支架上設(shè)變形縫時，應(yīng)當(dāng)在下端一側(cè)采用滾動(滑動)支座，上端一側(cè)采用固定鉸支座。

3 控制用鋼量的主要措施

國家提出雙碳目標(biāo)以后，綠色設(shè)計被提升到前所未有的高度。在工業(yè)設(shè)計過程中貫徹低碳、節(jié)能的設(shè)計理念，其核心思路在于保證相同安全度及使用性的前提下，盡量降低工程造價，減少投資。對于鋼結(jié)構(gòu)通廊來說主要是降低用鋼量。

根據(jù)已有工程經(jīng)驗，當(dāng)支架間距在20～30m之間時，通廊整體造價最為經(jīng)濟(jì)。此時，廊身桁架尺寸和構(gòu)件大小與通廊支架和基礎(chǔ)的數(shù)量取得平衡。所以在進(jìn)行長距離通廊結(jié)構(gòu)劃分時，盡量選擇24～25m桁架跨度可以節(jié)省鋼材用量。當(dāng)廊身較高或基礎(chǔ)采用樁基時，跨度應(yīng)適當(dāng)加大，最佳方案根據(jù)計算結(jié)果對比確定。

控制桁架用鋼量的主要措施有兩點：方法一是讓受壓桿件強(qiáng)度應(yīng)力和穩(wěn)定應(yīng)力二者同時接近限值，避免出現(xiàn)一大一??；方法二是減少壓桿的數(shù)量或長度。對于方法一來說，應(yīng)對策略即為：桁架壓桿盡量選用熱軋寬翼緣H型鋼或雙拼格構(gòu)式構(gòu)件。而拉桿不受此限制。

通廊桁架腹桿常用的布置方式有人字形和混合式。圖3為相同荷載工況下相同跨度桁架的內(nèi)力計算結(jié)果。其中負(fù)值為壓桿，正值為拉桿。相比于拉桿，由于壓桿有穩(wěn)定性要求，且長細(xì)比限值比拉桿小一倍，設(shè)計截面可能會比拉桿大很多。因此通過改變腹桿布置方式，減少壓桿的數(shù)量或長度，讓更多桿件變成拉桿，可以在一定程度上降低用鋼量。圖3中桁架上下弦桿的應(yīng)力值相差不大，考慮構(gòu)造要求，相同部位可以采用相同截面構(gòu)件，因此省鋼的關(guān)鍵即為減小腹桿用鋼量。由于斜腹桿的長度和應(yīng)力值都比垂直腹桿大許多，而第三種布置方式可以讓更多的斜腹值變成拉桿，為最省鋼的一種布置方式。

圖3 不同腹桿布置方式下的桁架桿件內(nèi)力

通廊的走道面?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計為桁架式，即在下弦橫梁之間打上交叉支撐，使其與豎向桁架的下弦桿構(gòu)成一個水平桁架。鑒于走道面滿鋪花紋鋼板以后，可以認(rèn)為其平面剛度無限大，可以有效約束豎向桁架下弦桿的平面外穩(wěn)定，且有很好的抗變形能力，因此如果從省鋼的目的出發(fā)，可以在保證鋼板與下弦桿、下弦橫梁、膠帶機(jī)支承梁連續(xù)滿焊的情況下，省掉水平支撐桿[5]。

通廊走道面為滿鋪的花紋鋼板。對于膠帶機(jī)正下方區(qū)域，因為無需走人，當(dāng)積灰荷載較小或可以忽略時，此區(qū)域的板底加勁肋可以取消。

通廊的上弦水平支撐通常情況下由長細(xì)比控制。但當(dāng)通廊跨度較大時，端部支撐桿件的應(yīng)力比可能超限。此時需要對上弦水平桁架進(jìn)行建模計算，其所受荷載為廊身迎風(fēng)面水平風(fēng)荷載的一半。

4 新環(huán)保政策下封閉式通廊節(jié)點的構(gòu)造要求

國家環(huán)境保護(hù)部于2012年10月29日和2014年04月25日分別印發(fā)了《重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》、《關(guān)于在化解產(chǎn)能嚴(yán)重過剩中加強(qiáng)環(huán)保管理的通知》。把環(huán)保的地位擺到了發(fā)展之前。針對相關(guān)企業(yè)的原料工序，做到“廠內(nèi)鐵精礦、煤、焦炭等大宗物料應(yīng)采取封閉式皮帶運輸”。

根據(jù)該條要求，封閉式通廊的密閉性成了環(huán)保部分對企業(yè)環(huán)保狀況檢查的重要內(nèi)容。因此，最近幾年來許多冶金、煤炭、建材企業(yè)都對現(xiàn)有的半封閉式、敞開式通廊進(jìn)行了密閉改造。對于新建鋼結(jié)構(gòu)通廊來說，在節(jié)點的處理上理所當(dāng)然要做到密閉要求。通?？蓪Π迮c走道面、屋面板連接的地方作如下處理，如圖4、圖5所示。

圖4 通廊墻板與走道板的連接構(gòu)造

圖5 通廊墻板與屋面板的連接構(gòu)造

按國家標(biāo)準(zhǔn)圖集的做法，墻板與屋面板相交的位置采用拉鉚釘連接，但密閉性和耐久性不好，采用增加包邊彩板的方式處理，可大大提高通廊的密閉性。

5 結(jié)語

隨著國家低碳、環(huán)保政策的推行，以及結(jié)構(gòu)行業(yè)新國標(biāo)的出臺，鋼結(jié)構(gòu)通廊的設(shè)計迎來許多新的變化。鋼結(jié)構(gòu)通廊的設(shè)計工作必須緊扣當(dāng)前政策和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，做到與時俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新，才能滿足企業(yè)生產(chǎn)和國家發(fā)展的要求。