鋼結構桁架式通廊設計及優(yōu)化

付裕

(濟鋼集團國際工程技術有限公司,山東濟南 250101)

鋼結構桁架式通廊設計及優(yōu)化

付裕

(濟鋼集團國際工程技術有限公司,山東濟南 250101)

論述了通廊的組成、傳力途徑、單元劃分及跨度確定;對組成通廊的桁架進行受力分析、計算,在構件選擇及布置上進行優(yōu)化比較,總結出經(jīng)濟做法。

鋼結構 通廊 桁架 設計優(yōu)化

1 某工程皮帶通廊大跨度鋼結構桁架設計

1.1 通廊概況介紹

該通廊承擔著從該工程燒結室到濟鋼4號大高爐之間的成品燒結礦運輸工作。平面總長度為686m，屬于單層單皮帶通廊，走道板距地面高度為6.5m～17.5m，通廊寬度3.6m。根據(jù)工藝要求，該皮帶通廊為敞開式，皮帶機上部設防雨罩。該通廊廊身設計為下承式平行弦鋼結構桁架形式，支架采用螺旋焊鋼管和型鋼結構。根據(jù)現(xiàn)場地形以及經(jīng)濟跨度，整個通廊設有5個固定支架，16個滑動支架。走道板采用6mm厚花紋鋼板。通廊兩走道外側設有安全防護欄桿。

1.2 合理劃分單元及確定跨度

對任何一個建筑物當它的長度很長時，我們都要考慮到設置伸縮縫。皮帶通廊的設縫是通過支座來完成的。該通廊是由鋼結構桁架、支架及兩端的轉運站組成。通廊長度較大，中間必須設置多個固定支架，來承擔通廊的水平推力。同時考慮溫度變形需將通廊劃分為多個計算單元，根據(jù)鋼材的線膨脹系數(shù)α=12×10-6/℃，濟南地區(qū)冬夏最大溫差約按ΔT=55℃，大約計算一下120m的通廊溫度變形，變形量δ=α×ΔT×L=12×10-6×55×120×103=79.2mm，在每個計算單元之間設置上輥動支座就可以滿足通廊的溫度變形要求。輥動支座處我們一般控制允許變形量在100mm以內(nèi)。輥動支座要設置在固定支架的一個支撐點和轉運站牛腿上，所以每一單元的兩端均為固定支架或轉運站，通過計算，該通廊可劃分為6個計算單元。通廊兩端落在轉運站牛腿上的支撐點設為輥動支座，中間5個固定支架分別有一處支撐點為輥動支座，其余所有支撐點均為鉸接支座。這里的輥動支座通俗地講起到“伸縮縫”的作用。

從計算變形量公式我們可以看出，如果通廊處于冬夏溫差很高的地方時，計算單元的長度就應適當減少。例如我國內(nèi)蒙北部地區(qū)冬夏溫差可以達到80℃，當?shù)?2.5m的鋼結構通廊的溫度伸縮相當于濟南地區(qū)120m的溫度伸縮量。所以我們一般將鋼結構通廊100m左右設置為一個計算單元。

根據(jù)現(xiàn)場實際場地情況，要跨越障礙物、保持道路、河道通暢的情況下，將每一單元桁架用滑動支架分隔成合適的跨度(滑動支架間距)。該通廊兩端為水平桁架，中間大約120m為斜桁架，斜段設為一個獨立單元，水平段30m左右為一跨，斜段40m左右為一跨，地面允許的情況下盡量把每一單元分成等跨，這樣使桁架長度、高度以及構件選擇上能做到統(tǒng)一標準化。

如果通廊長度不大，可利用通廊端部的廠房或轉運站作為通廊的固定點。沿通廊長度方向的全部水平力通過固定點傳給廠房或轉運站。固定點處的通廊支撐方式采用鉸接支撐，另一端可采用輥動支撐或鉸接支撐[1]。

跨度劃分還要考慮現(xiàn)場實際地形情況，要保證支架有處可落，還要使支架基礎盡量簡單節(jié)省。如遇河流等就需要跨越，而且將基礎做到土質(zhì)情況較好的河岸兩側。

圖1 HJ-1立面構件布置圖

1.3 鋼結構桁架式通廊受力分析及計算

鋼結構桁架式通廊廊身可以看作是一種立體桁架，一般可以簡化成由兩側的兩榀豎向平面桁架、屋面平面桁架，走道板平臺(平面桁架)、端部平面框架組成，端部框架可以看成四榀桁架的支座，剛度比較大。四榀桁架互為平面外的支撐，保證每榀桁架的平面外穩(wěn)定，每榀桁架單獨受力分析時均可以看做平面桁架，端部的框架依靠四榀平面桁架的支撐保證平面外的穩(wěn)定，端部框架受力分析時也可以看成平面框架。廊身落在鋼支架上，荷載直接傳給鋼支架，然后通過柱腳傳到基礎。

當通廊長度較小，中間不需要支架支撐時可以將通廊兩端直接落在鋼梁上，鋼梁落在構筑物(如轉運站等)牛腿上，荷載通過牛腿傳給柱子，然后傳到構筑物基礎上。

1.3.1 水平形式桁架計算

對一個結構進行計算時，第一步，統(tǒng)計荷載情況。(1)自然條件：該皮帶通廊按n=50年，基本風壓0.45KN/m2，基本雪壓0.35KN/m2。(2)活荷載：通廊平臺活荷載2.5KN/m2，積灰荷載0.5KN/m|，皮帶機活荷載3KN/m。(3)恒荷載：所有構件自重(計算機PKPM計算時輸入荷載不考慮桁架自身桿件重量，程序計算時自動計算自重)。

第二步，根據(jù)工藝要求布置梁板位置，首先皮帶機支腿要落在走道板這層平臺梁上，根據(jù)工藝提供的皮帶機支腿間距確定平臺梁布置。平臺梁應沿通廊縱向布置，這樣支腿布置比較靈活，不用確定具體某一點的位置，支腿沿梁縱向均可布置。平臺梁上鋪設6mm厚花紋鋼板，一作為行走通道，二可以防止物料、灰塵等高空墜落。鋼板下部沿通廊縱向布置加勁肋，以提高鋼板強度。

第三步，桁架節(jié)間劃分。根據(jù)桁架長度等分成n個節(jié)間，如果沒法全相等，把不等間距放在端頭。一般節(jié)間長度和桁架高度、通廊寬度相協(xié)調(diào)，這樣保證平面、側面桁架斜桿和豎桿夾角接近45度，受力比較合理。兩榀豎向桁架通過節(jié)間處橫梁連接，此橫梁作為走道平臺層的主梁，放支腿的縱梁為次梁與此梁相連。

第四步，分析傳力途徑。平臺板上的活載、平臺板自重以及支腿線荷載和縱梁自重都傳到連接兩桁架的主梁上。此主梁荷載向兩側分布最后都集中到桁架節(jié)點上。每個節(jié)間如此，以豎向荷載傳到桁架所有節(jié)點上。下一步可以使用計算機輔助設計，建立桁架模型，輸入節(jié)點荷載進行單片桁架計算。通過上述步驟計算每個節(jié)點恒載約為5.5KN，活載為9.5KN。

當通廊底層平臺上滿鋪鋼板時，下弦水平支撐可以取消。這時整個走道板在承受橫向水平荷載時可以認為是一個薄腹鋼梁，兩側H型鋼可以看作薄腹鋼梁的翼緣，走道鋪板及肋板看作薄腹鋼梁的腹板[2]。

桁架兩端的剛架強度一定要大，可以看成空間四片桁架以此端部剛架為支撐點，防止桁架在水平荷載作用下發(fā)生扭轉。另外當桁架跨度很大時，可以在桁架中間設置一道剛架，保證桁架整體穩(wěn)定。

1.3.2 有傾角形式桁架

當通廊傾角為8°～12°時，地面(平臺板上)應設有防滑條；超過12°時，應設踏步，踏步面為水平面。

傾斜桁架形式平臺的計算和水平形式的荷載計算方法是一樣的，桁架上下弦桿與豎腹桿仍垂直，相當于桁架水平布置好所有桿件，然后整體傾斜一個角度，但兩端的剛架豎桿要調(diào)整成豎直的，所有節(jié)點荷載仍然是豎直向下，與下弦桿不垂直。

2 桁架形式優(yōu)化及構件布置

桁架是由許多比較細長的桿件連接而成的空腹形式的結構。理想桁架是各節(jié)點都是光滑無摩擦的鉸節(jié)點；各桿軸均為直線，并都通過鉸的中心；荷載都作用在節(jié)點上(如圖1)。

桁架兩端的支撐形式有上承式和下承式兩種。我們設計的平行弦桁架通廊一般采用的是下承式。為了確定合理的桁架結構形式，我們對相同荷載作用下，不同桁架結構形式的桿件進行內(nèi)力比較。以上述桁架(HJ-1)為例，通過荷載計算，每個節(jié)點按活載9.5KN，恒載5.5KN輸入計算模型。

現(xiàn)在我們使用計算機輔助設計，只有桿件布置正確了才能計算出更接近實際情況的受力模式。應用程序建模之后，所有桿件均按柱布置，上、下弦桿(H型鋼)按0偏心0角度輸入，豎腹桿(H型鋼)按0偏心90度輸入，兩端剛架豎桿也按0偏心90度輸入，中間斜腹桿為了對稱美觀，向左下方傾斜的桿件按0偏心180度輸入，向右下方傾斜的桿件按0偏心0角度輸入。桿件布置好后，在鉸接一欄下將所有節(jié)點均改為鉸接點(如圖1)。

以上四種布置方案，輸入相同荷載，桿件布置除方案三有4根斜腹桿(按其它方案桿件布置不滿足計算要求)不與其他三種方案相同外，其它均相同。通過比較可以看出，方案一、二、四桿件荷載相差不大，方案一、二斜腹桿交替為拉壓桿，除受力之外，我們一般是通過長細比來控制截面選擇，拉桿的允許長細比要遠大于壓桿允許長細比，所以盡量讓長斜腹桿為受拉桿，短豎腹桿為受壓桿，這樣可以用小截面構件承擔相同的荷載，或者說同樣桿件，方案四這種布置可以承擔更大的荷載。可以看出方案三極不合理，長斜腹桿均為受壓桿，短豎腹桿均為受拉桿，導致斜腹桿截面變大，上下弦荷載也很大。經(jīng)過軸力圖比較，選擇方案四最為合理。通過軟件計算，整個單片桁架自重約為38KN。

應用計算機程序計算桁架時，沒有考慮橫向風載作用，所以各桿件的選擇上要比實際計算模型大5%～15%[3]，以保證結構具有足夠的承載力和剛度。

圖2 HJ-1桿件軸力圖(拉為正,壓為負)

3 結語

對于大跨度具有較大輸送能力的皮帶機支撐結構，采用鋼結構桁架式通廊是比較合理的，也是目前該結構應用最多的一種形式。鋼結構桁架式通廊能滿足工藝要求，傳力清晰，受力模型容易建立。

鋼結構桁架式通廊，構件受力清晰明確，計算簡單，鋼桁架作為廊身主要骨架，落地支架作為主要支撐結構。桁架和支架這兩種獨立結構利用計算機軟件容易建模，荷載輸入簡單，大多數(shù)構件的主要受力特性均為軸向力，能充分利用鋼構件的強度。除此之外，鋼結構通廊施工方便、速度快，鋼結構桁架、支架都可以在工廠成批量加工，現(xiàn)場只需將加工好的構件吊裝拼接，大大提高了施工效率，帶來了很好的經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益。

[1]但澤義,薛尚鈴 等.建筑結構構造資料集上[M](第二版).北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[2]井玉國,孫婧.鋼結構通廊的工程設計與應用[J].科技致富向?qū)?2011,23.

[3]尹元初.大跨度立體桁架[M].鋼結構設計規(guī)范國家標準管理組.《鋼結構設計計算示例》編組委員會.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.