大跨度鋼管球節(jié)點(diǎn)輸煤棧橋設(shè)計(jì)

張秀兵

(山西中太工程建設(shè)監(jiān)理公司，山西 太原 030001)

輸煤棧橋是煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)的重要構(gòu)筑物，通過棧橋內(nèi)的皮帶輸送機(jī)連接各個生產(chǎn)車間，棧橋跨間承載結(jié)構(gòu)多采用鋼桁架或鋼梁，棧橋支架一般采用鋼筋混凝土支架或鋼支架。隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，要求輸煤棧橋跨度和寬度逐漸增大，結(jié)構(gòu)形式和材料也多樣化，近年來鋼管球節(jié)點(diǎn)棧橋因經(jīng)濟(jì)合理、造型美觀、設(shè)計(jì)施工方便，應(yīng)用日益廣泛。

1 工程概況

某礦2號轉(zhuǎn)載點(diǎn)至火車裝車倉棧橋全長1 277.89 m，共25跨，棧橋跨越312國道、涇河、福銀高速公路、鐵路裝車線，地面情況復(fù)雜。棧橋跨度主要有42.0 m，50.3 m，59.65 m，69.93 m，其中以棧橋跨度50.3 m為主，棧橋?qū)挾?.6 m。棧橋采用鋼管球節(jié)點(diǎn)桁架，墻面和屋面用保溫夾芯板，樓面用保溫鋼骨架輕型板，為全封閉式膠帶機(jī)通廊，達(dá)到輕質(zhì)、保溫、隔熱的節(jié)能要求。建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組第三組，建筑場地類別為Ⅱ類，基本風(fēng)壓0.3 kN/m2，基本雪壓0.3 kN/m2，鋼管及球節(jié)點(diǎn)材料選用Q235B。本文選取一跨59.65 m桁架進(jìn)行分析，剖面圖、截面圖見圖1。

2 方案確定

通長情況下，棧橋最優(yōu)跨度一般取30 m～36 m，棧橋高度取跨度的1/10～1/12。因棧橋在平面上與涇河路堤斜交、空間上跨越?jīng)芎勇返蹋返躺蠟閲溃瑖啦辉试S設(shè)置支柱，所以兩端支架躲開路堤和國道后跨度取59.65 m，另外一側(cè)懸挑4.3 m，也省去四腿支架上部的混凝土工程，方便施工和安裝。

棧橋高度若按跨度的1/10～1/12選取，則高度接近5 m～6 m，棧橋的圍護(hù)及冗余構(gòu)件將增加、腹桿按長細(xì)比控制時截面也增大、經(jīng)濟(jì)性差，所以決定采用鋼桁架加撐，既保證桁架的剛度，又能減少構(gòu)件冗余和維護(hù)費(fèi)用，鋼桁架結(jié)構(gòu)高度滿足工藝要求后取為3.5 m。一般鋼桁架加撐都采用下?lián)危聯(lián)螛?gòu)件主要受拉，比較經(jīng)濟(jì)，本工程若采用下?lián)危瑸闈M足國道路面凈空和保證帶式輸送機(jī)布置方案基本不變，勢必抬高棧橋支架的高度，這樣將大幅增加整個工程的費(fèi)用，所以經(jīng)過比較試算后決定采用上部加鋼管拱，既美觀又經(jīng)濟(jì)，弧半徑取61.0 m，這樣整體結(jié)構(gòu)形式為鋼管拱—桁架體系。

棧橋采用鋼管球節(jié)點(diǎn)桁架，弦桿可以根據(jù)節(jié)間軸力選取不同的鋼管截面，又較好的解決了節(jié)點(diǎn)連接問題，弦桿材料強(qiáng)度得到充分利用，同時也避免以往弦桿采用角鋼或H型鋼截面通長設(shè)置造成浪費(fèi)。同時鋼管球節(jié)點(diǎn)桁架的防銹、防火及后期維護(hù)費(fèi)用較型鋼桁架經(jīng)濟(jì)。棧橋上下弦平面內(nèi)水平支撐采用十字交叉鋼管，有效提高棧橋水平剛度，同時在豎向吊桿之間增設(shè)豎向支撐提高棧橋的空間整體剛度。屋面和樓面支撐梁采用H型鋼，按壓彎構(gòu)件考慮，充分發(fā)揮H型鋼的特性。

3 桁架計(jì)算

桁架計(jì)算采用邁達(dá)斯公司的三維空間軟件MIDAS Gen進(jìn)行空間建模計(jì)算分析，并用中國建筑科學(xué)研究院的PKPM STS進(jìn)行比較核對。

3.1 計(jì)算假定

假定桁架桿件連接節(jié)點(diǎn)為鉸接，桿件截面高度一般小于長度的1/10，忽略節(jié)點(diǎn)次彎矩。所有桿件豎向荷載作用時按拉桿或壓桿考慮，水平風(fēng)荷載作用時因檁條安裝于豎腹桿側(cè)面，所以豎腹桿按拉彎或壓彎構(gòu)件驗(yàn)算。

支座采用板式橡膠支座，構(gòu)造簡單、經(jīng)濟(jì)、方便，能夠起到很好的隔震、減震作用，同時還能適應(yīng)鋼桁架沿棧橋方向的溫度變形，該榀桁架左端取為鉸支座，右端在棧橋縱向取為滑動支座。

3.2 荷載及荷載組合

樓面：恒載1.62 kN/m2，活載3.0 kN/m2。

屋面：恒載0.3 kN/m2，活載0.5 kN/m2。

墻面：恒載0.3 kN/m2。

風(fēng)荷載：1.7(體型系數(shù))×1.14(風(fēng)壓高度變化系數(shù))×0.30=0.6 kN/m2[1]。

地震：本工程抗震設(shè)防烈度為6度。按照GB 50191—2012構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第16.2.3條：廊身結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行水平地震作用的抗震驗(yàn)算，但應(yīng)符合相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施要求；跨度大于24 m的跨間承重結(jié)構(gòu)，8度和9度時應(yīng)進(jìn)行豎向地震作用的抗震驗(yàn)算[2]。

溫度荷載：主要以釋放為主，設(shè)置橡膠支座和滑動支座來釋放沿棧橋長度方向的溫度變形。荷載組合：按照程序設(shè)定并符合建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，考慮多種荷載工況組合。

3.3 空間建模

采用MIDAS Gen進(jìn)行空間整體建模，棧橋拱、弦桿、腹桿、水平支撐、支撐梁、端門架等構(gòu)件采用一般梁單元模擬，棧橋支座釋放梁端約束，鋼筋混凝土支架與承臺按照嵌固考慮，整體模型見圖2。

3.4 自振模態(tài)和靜力計(jì)算

第一振型(如圖3所示)為拱和桁架同向平面外彎曲、周期T=0.890 s，第二振型(如圖4所示)為拱和桁架沿棧橋縱向平動、周期T=0.567 s，第三振型(如圖5所示)為拱和桁架反對稱平面外彎曲、周期T=0.426 s，第四振型為拱和桁架反向平面外彎曲、周期T=0.406 s，第五振型為拱和桁架同向平面外彎曲、周期T=0.288 s，第六振型為拱和桁架反對稱平面外彎曲、周期T=0.269 s，通過自振模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)沿棧橋縱向的豎向剛度強(qiáng)于水平剛度，鋼桁架橫截面為結(jié)構(gòu)薄弱部位應(yīng)采取構(gòu)造措施加強(qiáng)。

棧橋在永久荷載和可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下跨中最大撓度64 mm，最大撓度與棧橋跨度之比64/59 650=1/932 <1/400；棧橋在可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值跨中最大撓度24 mm，最大撓度與棧橋跨度之比24/59 650=1/2 485 <1/500，均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A.1規(guī)定[3]。

鋼管拱拱腳位置最大壓應(yīng)力比0.70，桁架下弦跨中的最大拉應(yīng)力比0.74，鋼管拱—桁架的各桿件強(qiáng)度、穩(wěn)定性、長細(xì)比均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。考慮到鋼管拱和桁架的豎向聯(lián)系吊桿長細(xì)比大、剛度較弱，在皮帶運(yùn)行振動或風(fēng)荷載作用下易發(fā)生振動，增設(shè)豎向支撐桿件加強(qiáng)吊桿，同時也加強(qiáng)鋼管拱—桁架體系的整體協(xié)同工作性能。

3.5 核對檢查和結(jié)果分析

用中國建筑科學(xué)研究院的PKPM STS進(jìn)行平面建模進(jìn)行分析，棧橋在永久荷載和可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下跨中最大撓度62 mm，最大撓度與棧橋跨度之比62/59 650=1/962<1/400；棧橋在可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值跨中最大撓度24 mm，最大撓度與棧橋跨度之比24/59 650=1/2 485 <1/500，均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A.1規(guī)定。鋼管拱拱腳位置最大壓應(yīng)力比0.67，桁架下弦跨中的最大拉應(yīng)力比0.68，鋼管拱—桁架的各桿件強(qiáng)度、穩(wěn)定性、長細(xì)比均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。通過比較分析，棧橋內(nèi)力主要由恒載+活載+風(fēng)荷載的荷載組合控制，對棧橋桿件進(jìn)行合理優(yōu)化后進(jìn)一步降低自重，棧橋自重控制在82.9 t(不含檁條、夾芯板、鋼骨架輕型板)，同時也降低了后期吊裝施工的難度，該棧橋已經(jīng)吊裝完成并投運(yùn)(如圖6所示)[4]。

4 結(jié)語

受地形、跨度、支架高度限制，棧橋采用鋼管拱—桁架體系，使用MIDAS Gen進(jìn)行空間建模計(jì)算分析，分析得出桁架結(jié)構(gòu)的自振模態(tài)和薄弱部位、局部采取針對性加強(qiáng)措施，核算桿件強(qiáng)度、穩(wěn)定性、長細(xì)比、棧橋撓度符合規(guī)范要求，并對棧橋桿件進(jìn)行合理優(yōu)化降低自重，降低安裝施工難度。使用空間有限元軟件空間建模對非常規(guī)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，確保結(jié)構(gòu)安全和降低工程造價(jià)，為棧橋設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)和提供參考。