鋼桁架棧橋設(shè)計(jì)方法探析

田 勇

(中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 陜西西安 710054)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，越來(lái)越多管線跨越公路、鐵路、河流，跨度也越來(lái)越大，混凝土跨越結(jié)構(gòu)已不能滿足建設(shè)要求。鋼桁架棧橋由于自重輕、造價(jià)合理、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，得到了比較廣泛的應(yīng)用。

本文以某跨越鐵路線的輸電線路棧橋的設(shè)計(jì)過(guò)程為例，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)、電力、煤炭、公路等相關(guān)規(guī)范提出的設(shè)計(jì)方法，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)棧橋設(shè)計(jì)過(guò)程中，在采用平面桁架力學(xué)模型的情況下，進(jìn)行分析，針對(duì)鋼桁架棧橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出設(shè)計(jì)思路和相關(guān)構(gòu)造措施，以便于最終確保結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)合理。

1 概況

某電力公司輸電線路需橫跨某鐵路線，采取棧橋形式跨越此鐵路線。此棧橋跨度達(dá)到45 m，采用鋼桁架棧橋結(jié)構(gòu)形式。棧橋上面設(shè)置彩鋼板屋面，下面鋪?zhàn)叩腊澹瑑蓚?cè)設(shè)置彩鋼板封閉如圖1所示。

圖1 棧橋示意圖

1.1 棧橋形式的確定

該工程跨度為45 m，采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，這種形式安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

此類鋼桁架棧橋，是由兩側(cè)豎向主桁架和上下兩個(gè)水平桁架組成的空間結(jié)構(gòu)。豎向桁架是棧橋的主要承重結(jié)構(gòu)，水平桁架使豎向桁架形成空間穩(wěn)定的受力結(jié)構(gòu)。為了增加棧橋的抗扭剛度，提高橫斷面的穩(wěn)定性，確保兩片主桁架共同受力，桁架跨中還要設(shè)置橫向垂直支撐，如圖2所示。

圖2 鋼桁架棧橋組成

1.3 桁架截面形式

鋼桁架截面形式最常用的是雙角鋼拼接桁架。當(dāng)荷載較大時(shí)，可采用剖分T型鋼或H型鋼，代替雙角鋼作為桁架的上下弦。該工程采雙角鋼拼接桁架。

另一種是鋼管桁架，近些年有很多應(yīng)用的實(shí)例。方鋼管做的桁架不多見，原因是方管和矩形管多為冷彎成型的高頻焊接鋼管，此類管材通常存在殘余應(yīng)力和冷作硬化現(xiàn)象，低溫地區(qū)的外露結(jié)構(gòu)不能采用。

2 棧橋高度和寬度的確定

主桁架高度，可根據(jù)荷載情況，取其跨度的1/10～1/14。水平寬度與棧橋的橫向剛度和穩(wěn)定有關(guān)，可比豎向高度略小，但不宜小于跨度的1/17～1/20。該工程高度取3.75 m，為跨度的1/12；寬度取3.2 m，約為跨度的1/14；滿足工藝要求的凈寬和凈高。

3 桁架結(jié)構(gòu)布置

3.1 主桁架腹桿布置

由于拉桿和壓桿的長(zhǎng)細(xì)比限值不同，為了合理利用桿件的受力特性，腹桿采用端斜桿受壓的單斜式布置方式。這樣除了端斜桿受壓，其余斜桿均收拉，較短的豎桿均受壓。端斜桿受到壓力較大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證其安全，加強(qiáng)其構(gòu)造措施。

3.2 節(jié)間數(shù)的確定

一般考慮節(jié)間取偶數(shù)個(gè)，并結(jié)合斜腹桿與弦桿的夾角綜合考慮。斜腹桿與弦桿的夾角一般應(yīng)在35°～55°之間,最佳為45°。本工程取12個(gè)節(jié)間，節(jié)間長(zhǎng)度為3.75 m。

節(jié)間數(shù)如果是奇數(shù)個(gè)，正中間的斜腹桿則應(yīng)布置成交叉型。

3.3 水平支撐結(jié)構(gòu)布置

棧橋的上下弦縱向水平支撐一般應(yīng)沿棧橋通長(zhǎng)設(shè)置，如圖2所示。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 計(jì)算方法

鋼桁架棧橋的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，是將空間桁架分解成若干個(gè)平面，按主桁架、上下水平支撐等分別按鉸接桁架進(jìn)行計(jì)算。

4.2 計(jì)算模型假定

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)[1](以下簡(jiǎn)稱《鋼標(biāo)》)規(guī)定：計(jì)算桁架桿件軸力時(shí)可采用節(jié)點(diǎn)鉸接假定；采用節(jié)點(diǎn)板連接的桁架腹桿及荷載作用于節(jié)點(diǎn)的弦桿，其桿件截面為單角鋼、雙角鋼或T形鋼時(shí)，可不考慮節(jié)點(diǎn)剛性引起的彎矩效應(yīng)。本工程滿足此假定，按弦桿和腹桿均為鉸接的桁架計(jì)算。

上下水平支撐為有交叉斜腹桿的桁架，通常將斜腹桿視為柔性系桿，按拉桿設(shè)計(jì)；與交叉斜桿連接的豎桿按壓桿設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 計(jì)算簡(jiǎn)圖

5 荷載計(jì)算

5.1 豎向荷載

荷載傳遞路線：

屋面板→屋面橫梁(上弦水平支撐直腹桿)→桁架上弦節(jié)點(diǎn)→支座；

走道板→走道橫梁(下弦水平支撐直腹桿)→桁架下弦節(jié)點(diǎn)→支座。

主桁架上下弦節(jié)點(diǎn)集中荷載:P=0.5qdB(kN)。

式中:q——屋面或走道荷載(kN/m2)；

d——桁架節(jié)間距離(m)；

B——桁架寬度(m)。

5.2 水平荷載

荷載傳遞路線：外墻板→上下水平支撐→上下弦桿→端門架→支座。

一般認(rèn)為，上、下水平支撐各承擔(dān)一半水平荷載。

5.3 雪荷載和風(fēng)荷載取值

鋼桁架結(jié)構(gòu)自重較輕，屬于對(duì)雪荷載和風(fēng)荷載敏感的結(jié)構(gòu)。基本雪壓根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB5009-2012)[2](以下簡(jiǎn)稱《荷載規(guī)范》),對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用100年重現(xiàn)期的雪壓。

基本風(fēng)壓《荷載規(guī)范》指出：“對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的的結(jié)構(gòu)，基本風(fēng)壓的取值應(yīng)適當(dāng)提高”，本文建議取100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值:wk=βzμsμzw0(kN/m2)

式中：w0——基本風(fēng)壓；(kN/m2)；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

μs——風(fēng)荷載體型系數(shù)。《荷載規(guī)范》中沒有此類棧橋的體型系數(shù)，可以參考《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL5022-2012)[3]，其中給出了封閉式運(yùn)煤棧橋的體型系數(shù)，迎風(fēng)面+1.0，背風(fēng)面-0.7。

βz——高度z處的風(fēng)振系數(shù)，《荷載規(guī)范》第8.4.2條規(guī)定對(duì)于風(fēng)敏感的結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮風(fēng)振的影響,可取1.3[2]。

屋面支撐或走道支撐作用于節(jié)點(diǎn)的風(fēng)荷載：

W=0.5dHwk(kN)

式中：H——桁架高度(m)；

d——桁架節(jié)間距離(m)。

6 桁架設(shè)計(jì)

6.1 截面驗(yàn)算

目前計(jì)算桁架常用PKPM的STS軟件，荷載導(dǎo)算完成后，根據(jù)選取的截面進(jìn)行驗(yàn)算，最終確定最優(yōu)的桿件截面。

要注意的是，棧橋主桁架和水平支撐分別按平面桁架計(jì)算，但是主桁架上下弦桿其實(shí)同時(shí)承擔(dān)豎向和水平荷載。在設(shè)計(jì)主桁架時(shí)，對(duì)上下弦桿件計(jì)算時(shí)應(yīng)將它在兩個(gè)平面桁架的內(nèi)力疊加。

6.2 變形驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)變形的容許值宜符合《鋼標(biāo)》附錄B的規(guī)定，永久和可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的撓度(如有起拱應(yīng)減去拱度)容許值可取L/400，可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的撓度的容許值可取L/500。

為了改善外觀和符合使用條件，大跨度結(jié)構(gòu)要預(yù)先起拱。起拱度可以取恒載標(biāo)準(zhǔn)值加0.5活載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的撓度值；或直接取為L(zhǎng)/500。

6.3 棧橋的抗震設(shè)計(jì)討論

對(duì)于跨度大于24 m的棧橋和8度、9度地區(qū)，宜進(jìn)行抗震驗(yàn)算。

此類棧橋的抗震設(shè)計(jì)可參考《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50191-2012)[5]運(yùn)輸機(jī)通廊及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)[6]大跨度屋蓋桁架相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。水平地震作用一般不用驗(yàn)算，豎向地震作用需要抗震驗(yàn)算。根據(jù)上述規(guī)范采取相關(guān)的抗震措施，控制其撓度、關(guān)鍵桿件內(nèi)力設(shè)計(jì)值、支座設(shè)計(jì)值、桿件長(zhǎng)細(xì)比等。

7 支座處門型剛架設(shè)計(jì)

桁架端豎桿應(yīng)與端部剛性橫梁組成門型剛架(簡(jiǎn)稱端門架)，屋面水平支撐將它承受的風(fēng)荷載由兩端的端門架傳至下弦支座如圖4所示。

圖4 端門架

作用在每個(gè)端門架上端節(jié)點(diǎn)的力為:

HW=0.5×0.5HLwk(kN)

端門架的計(jì)算簡(jiǎn)圖是剛架，其豎桿下端可取鉸接。端門架的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

8 橫向垂直支撐

橫向垂直支撐設(shè)在主桁架豎桿平面內(nèi)，作用是增加棧橋的抗扭剛度，保證結(jié)構(gòu)的整體作用。橫向垂直支撐其數(shù)量根據(jù)跨度大小確定，間距不宜超過(guò)12 m，且每跨不宜少于兩道。橫向垂直支撐猶如上下縱向水平支撐間的一些彈性支承，上下縱向水平支撐承受的橫向荷載，絕大部分是通過(guò)端門架傳給支座的，僅有一小部分通過(guò)中間橫向支撐傳至走道水平支撐。因此，橫向垂直支撐一般不用計(jì)算，僅在屋面支撐直腹桿和桁架豎腹桿間設(shè)置隅撐或鋼板即可，如圖5所示。

圖5 橫向垂直支撐

9 支座設(shè)計(jì)

9.1 溫度變化計(jì)算

結(jié)構(gòu)的合攏溫度，可定為10℃～25℃，可保證在一年中的大部分時(shí)間均可合攏，具備施工可行性。

金屬結(jié)構(gòu)對(duì)氣溫變化較敏感，宜考慮極端氣溫的影響[2]。室外結(jié)構(gòu)溫度可取歷年極端最高(最低)溫度，該工程所在地極端最高溫度38.6℃，極端最低溫度-32.7℃；該工程為暴露于室外的結(jié)構(gòu)，考慮表面吸熱性質(zhì)考慮太陽(yáng)輻射的影響，最高溫度考慮溫度增加11℃[2]。

結(jié)構(gòu)最高溫度：38.6+11=49.6(℃);

結(jié)構(gòu)最低溫度：-32.7(℃);

結(jié)構(gòu)最大升溫：ΔTk=49.6-10=39.6(℃);

結(jié)構(gòu)最大降溫：ΔTk=-32.7-25=-57.7(℃)。

9.2 鋼桁架縱向伸縮量計(jì)算

伸長(zhǎng)量：Δl=αTLΔt=12×10-6×45 000×39.6=21(mm)；

縮短量：Δl=αTLΔt=12×10-6×45 000×57.7=31(mm)；

式中：Δl——構(gòu)件的伸縮量(mm)；

L——構(gòu)件的長(zhǎng)度(mm)；

Δt——溫度變化度數(shù)(℃)；

αT——鋼的線膨脹系數(shù)=12×10-6/℃。

本棧橋縱向伸縮總量為：21+31=52(mm)

9.3 支座設(shè)計(jì)

根據(jù)支座承擔(dān)的豎向力、水平力，棧橋伸縮量選用支座，支座可采用板式橡膠支座或球型支座。

板式橡膠支座構(gòu)造簡(jiǎn)單、安裝方便，其能承受的水平力很有限，應(yīng)設(shè)置限位件承擔(dān)桁架水平風(fēng)荷載；支座底版與基礎(chǔ)面摩擦力小于支座底部的水平力時(shí)應(yīng)設(shè)置抗剪鍵，不宜利用錨栓傳遞剪力，如圖6所示。

圖6 橡膠支座示意圖

該工程支座反力303 kN,最大的伸縮量較大值31 mm，選用《公路橋梁板式橡膠支座》(JT/T 4-2019)[7]中的GBJ200×200×47(NR)型支座(公路橋梁普通矩形橡膠支座，耐寒型，采用天然橡膠，支座平面尺寸為200 mm×200 mm，總厚度47mm)。

球型支座經(jīng)久耐用，還有相應(yīng)的抗震、減震支座，亦能承受水平力，一般能承擔(dān)豎向力的30%，但施工安裝較為復(fù)雜。若支座承擔(dān)的水平力大于豎向力的30%，亦需要設(shè)置限位件承擔(dān)其余水平力。球型支座可選用《公路橋梁球型支座規(guī)格系列》(JT/T 854-2013)[8]相應(yīng)規(guī)格系列。

該工程由結(jié)構(gòu)自重引起的4個(gè)支座總反力為RGk=352 kN；

風(fēng)荷載引起的支座剪力設(shè)計(jì)值：V風(fēng)=329 kN；

V風(fēng)=329kN>0.4RGk=0.3×352=141 kN;

故，對(duì)于水平力(主要為風(fēng)荷載引起的)較大的鋼桁架，球型支座亦需要設(shè)置限位件承擔(dān)其余水平剪力。

10 結(jié)語(yǔ)

本文分析探討了鋼桁架棧橋的結(jié)構(gòu)組成、受力特點(diǎn)、桁架尺寸的確定、計(jì)算方法、荷載取值、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算、桁架撓度、橫向剛度、支座設(shè)計(jì)等，提供了設(shè)計(jì)此類結(jié)構(gòu)的思路和方法，供廣大設(shè)計(jì)人員參考。