大跨度鋼桁架帶式輸送機棧橋的設計要點簡析

摘 要：大跨度鋼桁架棧橋作為煤炭礦井及選煤廠工業(yè)場地的重要構筑物之一，國家目前并沒有編制相應設計規(guī)范進行統(tǒng)一規(guī)定。本文較系統(tǒng)地介紹了鋼結構棧橋的結構體系、布置特點及設計原則，通過對桁架體系和支撐體系的合理選取，使設計盡量做到適用、經(jīng)濟、安全、美觀。

關鍵詞：鋼桁架；大跨度；結構設計；輸煤棧橋

中圖分類號：U448.18 文獻標識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）12-0031-02

概述

在煤炭礦井及選煤廠工業(yè)場地的建（構）筑物中，棧橋是內(nèi)部運輸系統(tǒng)的重要組成部分。通過其內(nèi)部的帶式輸送機，將原煤、塊煤、矸石等原料輸送至篩分破碎車間、主廠房、倉等建筑物內(nèi)進行洗選、儲藏。根據(jù)廊身的結構形式，可以分為鋼筋混凝土結構、鋼結構、鋼與鋼筋混凝土的組合結構和磚石結構。近年來，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，鋼結構棧橋有自重輕、跨度大、造型美觀、抗震性能好等優(yōu)點，在長距離輸送時，大跨度鋼桁架棧橋得到廣泛應用。筆者通過對鋼棧橋?qū)嶋H設計中遇到問題的總結歸納，旨在為類似工程設計提供借鑒。

1 棧橋的結構體系

鋼棧橋一般分為主承重桁架、上下弦水平防風支撐和兩端門架3部分。主承重桁架一般分為型鋼桁架和鋼管球節(jié)點桁架；上下弦水平防風支撐，承受水平荷載，并保持空間桁架的整體穩(wěn)定和剛度；兩端門架作為水平防風支撐的支點，將棧橋的水平作用力通過端門架傳遞給支座，并確保棧橋在橫向的剛度及穩(wěn)定。

2 棧橋的結構布置

棧橋立面縱向水平或傾斜，傾斜角度一般≤16°。為了保證棧橋縱向體系的穩(wěn)定，通常在高端設（滑動）輥軸支座，在低端設不動鉸接支座，確保在承受豎向荷載和縱向地震作用發(fā)生位移變形時，有足夠的伸縮量。棧橋的跨度應視橋下的建（構）筑物、道路、管溝及鐵路等的位置而定，在確保一定的安全距離后，盡量考慮將桁架的跨度布置一致，減少桁架種類。一般桁架高度為2.5～3.3m，桁架最優(yōu)高跨比為h/L=1/12～1/10（h為桁架高度，L為桁架跨度），得出最經(jīng)濟跨度為25～35m。

3 棧橋的建筑設計

棧橋斷面寬度一般在主導專業(yè)提供的資料（凈寬）的基礎上，每邊增加150mm；棧橋斷面高度一般在滿足主導專業(yè)提供資料（凈高）的基礎上，考慮上弦支撐橫梁高度，橋面板的厚度及橋面建筑做法，推算出合理數(shù)值。棧橋兩側應設置滿足規(guī)范最小寬度的人行道和檢修道。當坡度≤8°時，應設置防滑坡道；當坡度>8°時，應設置防滑臺階。橋面板可為現(xiàn)澆混凝土板、預制鋼骨架輕型板、花紋鋼板等，可根據(jù)實際情況適當考慮保溫和防水措施。維護墻體及屋面板一般采用輕鋼檁條+彩鋼夾芯板（保溫層≥100mm）。棧橋斷面橋面板頂宜成V形找破，便于清掃。

4 棧橋的結構設計

4.1 棧橋荷載（標準值）

4.1.1 屋面恒荷載

考慮上弦支撐，屋面檁條及屋面板重等，一般取1.5kN/m2。

4.1.2 橋面恒荷載

根據(jù)橋面板類型不同，一般取1.5～2.5kN/ m2。

4.1.3 屋面活荷載

一般按不上人屋面0.5kN/m2（注意雪壓較重地區(qū)）。

4.1.4 橋面活荷載

膠帶寬≤1m時為2.5kN/m2，膠帶寬>1m時為3.0kN/m2。

4.1.5 風荷載

根據(jù)荷載規(guī)范計算風荷載大小加載到水平防風支撐節(jié)點上，并適當考慮風振效應影響。

4.2 棧橋主承重桁架選型

承重桁架主要分為梁式和懸臂式兩種，一般不采用多跨連續(xù)式超靜定桁架，懸臂桁架的懸臂長度一般不超過6～8m。桁架上下弦多采用等肢雙角鋼或H型鋼，桁架腹桿一般采用雙角鋼或雙槽鋼。

桁架的節(jié)間長度應根據(jù)桁架的高度、樓板的跨度以及腹桿的角度來確定，一般3m左右較為合適。桁架節(jié)間數(shù)盡量布置成偶數(shù)，當不能布置成偶數(shù)時，中間可采用交叉斜腹桿；端部斜腹桿應下斜至棧橋支座方向受理較合理。桁架的高度一般為桁架跨度的1/10～1/8。桁架弦桿和腹桿之間的夾角應控制在35°～55°之間。

承重桁架所受豎向荷載主要為通過橫梁傳來的樓面及屋面荷載和支撐的自重以及部分屋面有軌道吊車的吊車荷載。內(nèi)力分布為上弦桿受壓，端部壓力較小越往中部壓力越大；下弦桿為拉壓共存，端部受壓中部受拉，端部及有下?lián)翁庍B接腹桿受力大于其他腹桿。水平荷載對水平支撐桁架弦桿的作用力應作為附加荷載加載到承重桁架上，按照工程實際經(jīng)驗，該附加荷載占總豎向荷載作用力的15%左右，在截面余量遠大于15%的情況下可不另外計算。

棧橋常見跨度一般為25～35m，重點采用三角形梁式桁架，常用的三角形式桁架結構如下圖1所示。其優(yōu)點是弦桿的規(guī)格數(shù)量不多，不支撐橫梁的豎桿只起到支撐弦桿的作用，內(nèi)力為零；支撐橫梁的豎桿承受局部荷載，內(nèi)力極小但截面相同。當棧橋跨度大于40m時，采用三角形梁式桁架就不顯得經(jīng)濟實用了，應采用帶下?lián)问戒撹旒芙Y構如下圖2所示。這種桁架跨度可限制在100m以內(nèi)，屬于一次超靜定結構。當跨度再加大時，就需要采用預應力桁架了，否則一般的梁式桁架的高度是不能滿足要求的。

圖1 下承式三角形桁架

圖2 帶下?lián)稳切舞旒?/p>

跨度>30m的棧橋在拼裝時應預留起拱量，大小為棧橋跨度的1/500。棧橋桿件為組合雙角鋼或雙槽鋼時，每根桿件中間的填板數(shù)量不應小于2個，填板間距壓桿取40i，拉桿取80i（i為桿件截面的回轉(zhuǎn)半徑）。桁架桿件的計算長度如表1所示。

4.3 棧橋上下弦水平防風支撐

水平防風支撐用來承受風在承重桁架立面產(chǎn)生的風荷載，是鋼棧橋設計中除承重桁架以外的最重要組成構件之一。它一般布置在承重桁架上、下弦桿的平面內(nèi)，同時利用承重桁架的上、下弦桿作為支撐的組成桿件，形成水平支撐桁架。橋面板若采用組合樓板則可以不設下弦支撐，否則應設置；若采用預制鋼骨架輕型板時，應設置通長的縱向水平支撐。

在內(nèi)力計算時，把水平荷載轉(zhuǎn)化為作用于節(jié)點的集中力，同時只考慮一根斜腹桿承受拉力，另一根斜腹桿退出工作；豎桿承受壓力，將超靜定桁架轉(zhuǎn)化為靜定桁架。由風荷載引起的水平支撐桁架弦桿內(nèi)力要與承重桁架弦桿內(nèi)力疊加進行驗算。一般支撐設置成交叉腹桿（如圖3），采用等邊單角鋼，斜腹桿之間的夾角應控制在40°～50°之間，按受拉構件的允許長細比選擇截面大小。如棧橋截面寬度較大時，可將交叉支撐點與橫梁相連（如圖4），以減小斜腹桿的計算長度。

橫梁一般可采用雙槽鋼或H型鋼。其主要作用是把棧橋樓、屋面豎向荷載傳遞到主承重桁架的節(jié)點上。上弦橫梁通過連接板與桁架上弦連接，上表面宜與上弦平齊；下弦橫梁上表面宜與桁架下弦下表面平齊。橫梁兩端伸出軸線外的寬度=1/2桁架下弦寬度+鋼檁條連接做法（250mm）+彩鋼夾芯板（100mm）。

4.4 棧橋端門架

端門架上端橫梁承受由承重桁架上弦水平防風支撐傳來的水平風荷載，承重桁架下弦水平防風支撐傳來的水平力直接傳遞給支座，不用作用在門架上。端門架橫梁與立柱的連接節(jié)點應為剛接，這樣能更好的保證棧橋的橫向剛度及穩(wěn)定。端門架的橫梁及立柱通常選用][雙槽鋼、工字鋼或H型鋼。端門架的立柱同時也是主承重桁架的端豎桿，在立柱截面的選取時，必須考慮兩者的內(nèi)力組合；立柱的底部基板應與地面平行，確保在重力作用下，斜棧橋承重桁架不產(chǎn)生水平滑移。

4.5 棧橋支座

在地震或其他偶然荷載作用下，大跨度鋼桁架棧橋會因兩端建筑物的位移大小及方向的不一致而引起破壞。因此棧橋兩端不能同時設置成固定鉸支座形式。通常做法是，在棧橋跨度支點較高的一端設置滑動支座或輥軸支座。當鋼桁架跨度≤30m時，宜使用滑動支座；當鋼桁架跨度>30m時，宜使用輥軸支座。滾軸支座分為多輥支座，支座高度較底，滾軸直徑≥40mm；單輥支座，支座高度較高，滾軸直徑≥150mm。在設計時可根據(jù)桁架的支座反力選用支座。鋼結構規(guī)范規(guī)定，多輥支座的反力R應滿足下式要求：

R≤40ndLf 2/E

式中 d——輥軸直徑；

n——輥軸數(shù)目；

L——輥軸與平板的接觸長度。

5 結語

以上是筆者結合多年設計經(jīng)驗對大跨度鋼桁架棧橋?qū)嶋H設計中關鍵環(huán)節(jié)的總結歸納，除建筑結構設計外，比如鋼桁架的防火、防腐、組裝、吊裝等方面，在此不再贅述。限于篇幅和個人水平，如有表述不周之處，還請業(yè)內(nèi)同行不吝賜教。

參考文獻

[1] 袁彥華.輸煤鋼結構棧橋設計簡析[J].同煤科技，2011（06）：27-28.

作者簡介：宋智斌（1981-），男，北京人，工程師，2004年畢業(yè)于北京工業(yè)大學，一直從事結構專業(yè)設計工作。