某火電廠大跨度輸煤鋼棧橋設計與分析

段雷琳

（國核電力規劃設計研究院有限公司，北京 100095）

0 引言

輸煤系統在火力發電廠中起到輸送燃料的作用，而輸煤棧橋在輸煤系統中起著水平運輸的作用，其重要性不容小覷。輸煤棧橋平面多呈大跨度細長型，立面呈小角度傾斜型。工程中常見的結構形式有：磚混結構、混凝土結構、鋼結構。鋼結構由于其自身重量輕、延性好、施工便捷等優點被廣泛用于棧橋設計中。

1 工程概況

選取某發電廠中的一段C6 棧橋為例進行研究。該段棧橋連接 T3、T4 轉運站，根據工藝提資，布置 C6A、C6B 雙皮帶，結構形式為封閉式鋼結構。該棧橋跨度為31.5m，橋面寬度為7.6m，接T4 轉運站橋面高度為44.680m，接T3 轉運站橋面高度為36.817m，立面呈15°傾角，棧橋縱向立面如圖1 所示。棧橋墻面及屋面采用壓型鋼板做圍護結構，橋面為120mm 厚壓型鋼板混凝土組合樓板，并設900mm 高混凝土防水擋板，棧橋橫向截面如圖2 所示。

圖1 棧橋縱向立面

圖2 棧橋橫向截面

2 結構布置

通常，棧橋高跨比取值為1/8~1/12[1]，故此鋼桁架高度取值在2.6~3.9m，該桁架的高度為3.75m，設計合理。棧橋寬跨比取值為1/10~1/12[1]，該桁架按工藝提資取值為7.6m，取值偏大。棧橋上、下弦桿采用國標H 型鋼，結合豎向平面內的腹桿和水平面內的支撐梁形成三維空間桁架體系。在豎向平面布置上，腹桿選用常見的圓鋼管，越靠近支座位置的桿件內力越大，圓鋼管截面也越大。該棧橋采用全拉式桁架結構形式，斜腹桿為拉桿，豎直腹桿則為主要的承重結構，這種布置在經濟上效果顯著。由于工藝雙皮帶設計要求，棧橋寬度較大，水平面布置上，屋面及棧橋樓面的支撐梁都選用國標H 型鋼，按壓彎構件考慮，充分發揮了H 型鋼的特性。同時在水平面內設置水平支撐，有效提高屋面及橋面的整體剛度，并增強上下弦桿的側向穩定性。

3 主體結構分析

該鋼桁架采用三維空間軟件MIDAS Gen 進行空間建模分析及計算。

3.1 計算假定

忽略各節點次彎矩，假定桁架各桿件連接節點為鉸接，從而形成穩定的靜定結構。在此假設下，所有桿件在豎向荷載作用下按受拉或受壓二力桿考慮。

鋼桁架在地震力、溫度應力等荷載作用下，會在縱向產生水平位移，桁架支座設計中常將高端設計為滑動端以此來釋放變形，低端則設計為鉸接端，從而使整個桁架形成簡支靜定結構，同時棧橋與轉運站之間應設置抗震縫，抗震縫的大小應根據滑移量及抗規、高規的構造要求計算得出。按此設計原則，該桁架與T4 轉運站的連接方式為滑動連接，于T4 轉運站外側柱的牛腿預埋上和桁架的鋼柱腳下分別貼上一塊聚四氟乙烯板。桁架與T3 轉運站的連接方式為鉸接，桁架鋼柱通過螺栓與T3 轉運站外側柱的牛腿連接。

3.2 荷載取值

屋面荷載：不上人屋面恒荷載主要考慮壓型鋼板及檁條自身的重量，模型中已建入壓型鋼板屋面板，故只需另外輸入檁條自重，取值為0.5kN/m2，活荷載按荷載規范取值為0.7kN/m2。

樓面荷載：樓面恒荷載主要考慮20mm 厚面層、120mm 厚混凝土板、壓型鋼板自身重量，模型中已建入混凝土板，故只需輸入面層及壓型鋼板自重，取值為1kN/m2。樓面活荷載按2.0kN/m2，此外設備荷載按照工藝專業提資埋件荷載，以點荷載的形式加載在水平橫梁上。

風荷載：基本風壓W0=0.75kPa（50 年一遇），以點荷載的形式加載在桁架節點上。

地震作用：該建筑抗震設防烈度為Ⅶ度，抗震等級為三級，設計基本地震加速度為0.088g，反應譜特征周期Tg=0.47g，鋼結構阻尼比為0.05。

根據現行《建筑結構可靠性設計統一標準》[2]，本工程考慮了多項荷載組合，標準組合主要是用來進行剛度驗算，基本組合主要是用來進行強度驗算。

3.3 空間建模

采用MIDAS Gen 軟件對棧橋結構進行空間整體建模，所有桿件均采用梁單元模擬，屋面板、樓面板以及墻面維護結構采用板單元模擬。上下弦桿作為一根通常的梁單元，在節點處不斷開。端門架在其平面內采用剛性連接，平面外則高端柱腳采用滑動連接，低端柱腳采用鉸接連接。整體模型如圖3 所示，為了更好地顯示桿件排布，圖3 中將板單元隱去。

圖3 鋼桁架空間模型

3.4 結構分析

3.4.1 模態分析

主要選取前三個振型進行分析，該桁架第一振型如圖4 所示，桁架整體沿縱向平動，周期T1=0.1973s；第二振型如圖5 所示，桁架整體沿橫向平動，周期T2=0.1758s；第三振型如圖6 所示，桁架發生扭轉變形，周期T3=0.1006s，明顯比前兩階要小。通過自振模態分析可知，該棧橋整體抗扭剛度較強，結構沿棧橋縱向的豎向剛度強于水平剛度，整體結構布置較合理。

圖4 第一振型

圖5 第二振型

圖6 第三振型

3.4.2 位移分析

在標準荷載組合作用下，跨中最大豎向位移為62mm，擾度為62/31500=1/508，滿足《電力規程》中限值1/400 要求。在風荷載標準荷載的作用下，跨中的最大水平位移為15mm，擾度為15/31500=1/2100，同樣滿足規范限值。豎向地震作用下，跨中最大豎向位移為57mm，擾度為57/31500=1/552，滿足《鋼結構設計標準》[1]中附錄 B.2.4 中 1/300 限值。

3.4.3 桿件強度、穩定性、長細比

桁架設計中，桿件首先要滿足穩定性設計的構造要求，其中最主要的指標就是長細比限值。按規范要求，受壓桿件的長細比限值為1/150，受拉桿件的長細比限值為1/300[4]。

通常情況下，桿件的強度計算應力比一般控制在0.9 以內較為安全。經驗算，該棧橋所有桿件的承載力都滿足規范要求，其中最大應力比為0.8，出現在桁架靠近支座處的斜腹桿上。

4 結語

綜上所述，在合理的計算假定條件下，通過使用MIDAS Gen軟件進行三維空間建模，對某大跨度鋼桁架棧橋進行了模態分析、位移分析得出該棧橋結構布置合理。同時，核算了桿件的強度、穩定性、長細比，均符合規范要求。通過反復的分析及驗算，得到了經濟合理的構件截面，為棧橋設計提供了參考，后續筆者還將不斷完善和深化大跨度鋼棧橋的設計細節。