輸煤棧橋輕鋼結(jié)構(gòu)若干問題的分析

聶會民

（河南省鄭州市熱力總公司，河南 鄭州 450003）

1 供熱系統(tǒng)輸煤棧橋的基本結(jié)構(gòu)

長期以來，供熱系統(tǒng)的輸煤棧橋設(shè)計沒有專門的設(shè)計結(jié)構(gòu)規(guī)范，而影響棧橋設(shè)計的因素很多，因此，實踐中棧橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計在布局搭建和選材上標(biāo)準(zhǔn)多重。

一般情況下，輸煤棧橋主要由基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、支架結(jié)構(gòu)、橋身結(jié)構(gòu)、樓板和圍護(hù)結(jié)構(gòu)等（屋面、側(cè)墻、窗等）組成。其中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、樓板和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計屬于基礎(chǔ)工程，技術(shù)難點往往集中在支架結(jié)構(gòu)和橋身結(jié)構(gòu)上。如棧橋同一單元區(qū)段的支承結(jié)構(gòu)為了防震，應(yīng)使用同種材料。如果使用了不同種類的材料，支承結(jié)構(gòu)間就必須設(shè)置防震縫隙。而防震縫隙的設(shè)置也需要符合特定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

支架結(jié)構(gòu)主要分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚（石）柱結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)三種，用于承受來自橋身的橫向和縱向荷載。支架是否穩(wěn)定，直接決定了棧橋結(jié)構(gòu)下部的寬度。當(dāng)棧橋支架較高，跨度較大時，一般選用鋼支架。橋身結(jié)構(gòu)主要有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)。其中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有桁架、墻梁、薄腹梁等，造價低，前幾年使用較廣泛。但是適用棧橋跨度小，靈活性差。鋼結(jié)構(gòu)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和鋼桁架，其中鋼桁架材料強(qiáng)度高、自重輕，適用于大跨度棧橋結(jié)構(gòu)，而且制作簡單、安裝方便。近來，熱電廠越來越多的在輸煤棧橋中采用鋼桁架結(jié)構(gòu)。綜合來看，現(xiàn)階段，輸煤棧橋支架和橋身結(jié)構(gòu)一般都選用鋼結(jié)構(gòu)，其中橋身一般采用鋼桁架結(jié)構(gòu)。鋼桁架結(jié)構(gòu)中的技術(shù)要求較多，如圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)墻如果使用鋼桁架結(jié)構(gòu)，則應(yīng)在橋面、屋面桁架節(jié)點位置架設(shè)橫梁及水平支撐，與側(cè)墻的鋼桁架結(jié)構(gòu)形成空間結(jié)構(gòu)，以橫向穩(wěn)定輸煤棧橋。同時，應(yīng)根據(jù)棧橋全長設(shè)置上下弦水平支撐，以縱向穩(wěn)定輸煤棧橋。

2 鋼桁架結(jié)構(gòu)的比較分析

上世紀(jì)80年代，輸煤棧橋的鋼桁架一般都是采用角鋼桁架結(jié)構(gòu)。但是，角桁架采用的是單軸對稱的雙角鋼截面，截面特性不能充分被發(fā)揮；而且角桁架存在陰角，防腐費用高昂；同時在施工上，角桁架現(xiàn)場焊接工作量大，漏焊現(xiàn)象頻發(fā)。

后來出現(xiàn)了空心球鋼管桁架結(jié)構(gòu)。相比角桁架，空心球鋼管桁架用鋼量少，成本較低；施工上，節(jié)點形式簡單，安裝便利，便于維護(hù)。由于以上特點，空心球鋼管桁架結(jié)構(gòu)被很多單位廣泛應(yīng)用與煤炭棧橋結(jié)構(gòu)中。

近年來，單榀桁架結(jié)構(gòu)也備廣泛使用。單榀桁架設(shè)計中，上部支座通常采用沿桁架縱向滑動鉸支座，滑動鉸支座材料一般為滾軸或橡膠墊，以達(dá)到有效釋放溫度及其他位移。但是，在風(fēng)荷載較大的情況下，單榀桁架存在不利因素，整體結(jié)構(gòu)變形較大。

同時，在技術(shù)上，傳統(tǒng)的輸煤棧橋運用的都是運用分段式的鋼桁架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)計算模型和受力分析簡單、制作和安裝方便。但是，分段式的鋼桁架用鋼量大，經(jīng)濟(jì)成本較高。于是，近幾年來，研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)機(jī)構(gòu)都加大了對技術(shù)過關(guān)、經(jīng)濟(jì)成本較低的連續(xù)鋼桁架結(jié)構(gòu)的研究。分段式鋼桁架結(jié)構(gòu)受力上相當(dāng)于簡支梁，采用兩端簡支的支座型式；連續(xù)式鋼桁架在受力上相當(dāng)于連續(xù)梁，采用一端滑動、中間支座、一端鉸接的支座型式。采用連續(xù)式的鋼桁架比分段式的鋼桁架更能發(fā)揮材料的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)桿件的受力更合理，選材也會更加經(jīng)濟(jì)?？梢?，連續(xù)性鋼桁架具有整體性能好，空間剛度大，用鋼量少、抗震性能強(qiáng)等優(yōu)點。但是，連續(xù)性鋼桁架在同一溫度內(nèi)不分段，需分段制作、在空中拼接，施工難度大，需要臨時支撐。隨著鋼材價格逐步走高的趨勢，連續(xù)式鋼桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍會逐步擴(kuò)大。

3 輕鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用分析

3.1 基本含義

實踐中，輕鋼并不是結(jié)構(gòu)較輕的字面意思，其與重鋼的區(qū)分在于所承受的圍護(hù)材料較輕，兩者的結(jié)構(gòu)設(shè)計一致，實務(wù)中一般根據(jù)行車起吊重量、每平米用鋼量和主構(gòu)件鋼板厚度綜合判斷。

理論上，鋼結(jié)構(gòu)一般分為：重型構(gòu)件（由熱軋型鋼或厚鋼板制成）和輕型構(gòu)件（由冷彎型鋼或薄鋼板制成）。其中，重型構(gòu)件也叫普通鋼；輕型構(gòu)件也被成為輕鋼結(jié)構(gòu)。

3.2 基本性能

輕鋼主要具有強(qiáng)度高、自重輕、整體變形能力強(qiáng)、可回收利用等特點，具有較強(qiáng)的抗震性、抗風(fēng)性、耐久性、保溫性和可持續(xù)發(fā)展性，在國內(nèi)外應(yīng)用發(fā)展十分迅速，目前己成為發(fā)達(dá)國家主要的建筑結(jié)構(gòu)形式。具體來說，主要具有以下優(yōu)勢：

（1）強(qiáng)度高。輕鋼的強(qiáng)度較高，容重和屈服點比重小。（2）自重輕。輕鋼主體結(jié)構(gòu)的含鋼量通常在25kg到80kg，基礎(chǔ)造價低。

（3）變形強(qiáng)。輕鋼設(shè)計理論先進(jìn)，利用了屈曲后強(qiáng)度、塑性設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計等技術(shù)，其韌性和彈性較大，使用了具有抗剪抗扭效果的插條涉及，整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性被大大加強(qiáng)。

（4）環(huán)保節(jié)能。輕鋼安裝方便，運輸和搬遷也方便，材料可以回收利用，符合生態(tài)環(huán)境建設(shè)的大趨勢。

3.3 應(yīng)用分析

3.1.1 應(yīng)用理論分析

近年來，國內(nèi)外對輕型鋼結(jié)構(gòu)的研究，在理論和實踐上都取得了長足的進(jìn)步。進(jìn)度快，涉及范圍廣，在鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展歷史上都屬于罕見。隨著輕鋼結(jié)構(gòu)中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的配套產(chǎn)品相繼研發(fā)成功，輕鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用在我國也迅速發(fā)展起來。

現(xiàn)在各科研單位和生產(chǎn)單位都先后加大對輕鋼結(jié)構(gòu)的研究，主要情況有：

（1）結(jié)構(gòu)。多層輕鋼結(jié)構(gòu)一般采用框架結(jié)構(gòu)，包括空間框架結(jié)構(gòu)和平面框架結(jié)構(gòu)。有時候，平面框架結(jié)構(gòu)為了加強(qiáng)支撐和聯(lián)系，也會采用懸掛結(jié)構(gòu)形式。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計上，主要通過空間有限元建模，作線性分析，綜合考慮在各種荷載作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、整體和局部穩(wěn)定性等因素；如果結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度小或布置不規(guī)則，則需利用二階分析，確保安全。

（2）維護(hù)。輕鋼的維護(hù)一般使用輕質(zhì)材料，如加氣混凝土砌塊，彩色鋼板、空心砌塊、壓型鋼、輕質(zhì)保溫材料等組成的復(fù)合墻板（平面、表面為淺壓型和表面為深壓型）。輕鋼的輕型網(wǎng)架或輕型桁架上一般使用保溫彩色鋼板或有機(jī)玻璃。維護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下優(yōu)點：強(qiáng)度高、耐久性好、防火性好、隔熱性好、隔音性好、防結(jié)露和防潮濕性好。

3.1.2 輕鋼在輸煤棧橋鋼桁架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

輸煤棧橋的鋼桁架一般是由上弦桿、下弦桿、端豎桿、端斜桿、豎腹桿、斜腹桿等主要受力桿件組成。在理想狀態(tài)下，鋼桁架各桿件均是受力軸心桿件。因此，桿件之間的連接方式即鏈接節(jié)點變的尤為重要，它傳遞構(gòu)件間的剪力和彎矩，直接影響框架的承載力極限，構(gòu)造形式還直接影響用鋼的數(shù)量。傳統(tǒng)上，輸煤棧橋鋼桁架根據(jù)強(qiáng)度和穩(wěn)定來選擇桿件。考慮到桿件的制作成本大小、安裝便利與否以及防腐是否漸變。鋼桁架的上弦桿、下弦桿一般采用重型鋼，之間一般使用高強(qiáng)螺栓或焊接連接；端豎桿也適用重型鋼，以便可以和上弦桿以及下弦桿連接方便；豎腹桿、斜腹桿一般使用雙角鋼，并在節(jié)點處，采用節(jié)點板實現(xiàn)和上弦桿、下弦桿的連接?？梢姽?jié)點連接在輸煤棧橋鋼桁架結(jié)構(gòu)中尤其重要。

輕鋼結(jié)構(gòu)在節(jié)點上，即使連接節(jié)點的組成要素參數(shù)不同，但初始剛度計算結(jié)果基本在同一個數(shù)量級區(qū)域?？梢?，輕鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點屬于半剛性連接節(jié)點，具有較大的轉(zhuǎn)動剛度和極限承載力。在設(shè)計節(jié)點時，如要實現(xiàn)可靠傳力，合理構(gòu)造和較強(qiáng)的抗震性能，同時也需要方便施工，半剛性連接節(jié)點是很好的選擇。同時，輕鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點初始剛度值與節(jié)點處的鋼翼緣和柱翼緣的厚度、及連接處豎向螺栓間距、梁截面的高度關(guān)系大，與節(jié)點處其他組成部分關(guān)系小。翼緣厚度增加，節(jié)點的轉(zhuǎn)動剛度、承載力都隨著提高。因此，在設(shè)計節(jié)點時，翼緣較薄的節(jié)點，在滿足高強(qiáng)螺栓連接規(guī)程的前提下，可以減小豎向螺栓間距來增加節(jié)點的極限承載力及轉(zhuǎn)動剛度。輕鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點柱翼緣較薄，應(yīng)增加節(jié)點的極限承載力和轉(zhuǎn)動剛度。梁高度如果增加，則節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度、承載力都會相應(yīng)提高。同時，連接冀緣與柱翼緣的豎向螺栓間距大小變化時，節(jié)點的極限承載力和轉(zhuǎn)動剛度都會受到較大的影響。一般來說，豎向螺栓間距小，節(jié)點的極限承載力和轉(zhuǎn)動剛度大。一般來說，連接節(jié)點的組成對節(jié)點承載力和初始剛度的影響如下：輕鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點是組合節(jié)點，其承載力由各組成要素共同決定，只有對組成要素進(jìn)行調(diào)整和協(xié)調(diào)計算，才能得到合理經(jīng)濟(jì)的連接節(jié)點。

鑒于以上分析，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，供熱擴(kuò)容迅速，輕鋼結(jié)構(gòu)在供熱的配套設(shè)施中的應(yīng)用日益廣泛。而節(jié)點連接在輕鋼結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要，節(jié)點的特性直接影響輕鋼結(jié)構(gòu)承受荷載的能力。因此，輕鋼結(jié)構(gòu)在連接節(jié)點上的優(yōu)勢使其成為目前國內(nèi)外供熱研究單位研究較多的連接方式。如果能將輕鋼機(jī)構(gòu)和輸煤棧橋在節(jié)點連接上的應(yīng)用結(jié)合起來，必將對輸煤棧橋的優(yōu)化建設(shè)起到較大的推動作用，也間接有利于供熱事業(yè)對的發(fā)展，意義重大。

4 結(jié)語

根據(jù)本文的分析，在供熱系統(tǒng)中，以熱源廠為主，輸煤棧橋的設(shè)計屬于非常重要的環(huán)節(jié)。輸煤棧橋主要采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，如果在鋼桁架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、選材和設(shè)計上能合理的使用新型的輕鋼結(jié)構(gòu)，就可以實現(xiàn)輸煤棧橋安全可靠，并同時能降低成本，減少污染，促進(jìn)供熱系統(tǒng)及其配套設(shè)施走上生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的道路。當(dāng)然，如何將輕鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用到供熱系統(tǒng)的輸煤棧橋鋼桁架中去，需要不斷的理論研究和實踐檢驗，技術(shù)合格是最基本的要求。

[1]錢麗霞.輸煤棧橋結(jié)構(gòu)中主要構(gòu)件的設(shè)計[J].大氮肥，2012，(10).

[2]韓寶峰，吳靜.鋼管桁架輸煤棧橋結(jié)構(gòu)分析[J].科學(xué)之友，2010，(3).