平魯工業(yè)園區(qū)輸煤系統(tǒng)棧橋鋼支架布置方式及設(shè)計(jì)方法的探討

高 巖，楊小軍，劉建洲

（中煤西安工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，陜西西安710054）

平魯工業(yè)園區(qū)輸煤系統(tǒng)棧橋鋼支架布置方式及設(shè)計(jì)方法的探討

高 巖，楊小軍，劉建洲

（中煤西安工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，陜西西安710054）

輸煤棧橋鋼支架的布置形式一般包括：?jiǎn)纹戒撝Ъ?、格?gòu)式鋼支架、四柱式鋼支架。通常具體工程中的支架布置方式是：在不同的高度下，采用不同的支架形式布置。通過(guò)對(duì)整體模型進(jìn)行有限元分析，重新對(duì)棧橋支架布置方式進(jìn)行探討。采用兩種鋼支架形式（單片式鋼支架、四柱式鋼支架）組合在一起的方式，形成單片四柱單元式鋼支架，增強(qiáng)單元內(nèi)結(jié)構(gòu)的抗震性能，減少因計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的影響而形成的材料浪費(fèi)。

輸煤棧橋；鋼支架；側(cè)移剛度；地震位移；溫度變形

工業(yè)建筑中棧橋支架一般采用混凝土支架及鋼支架形式，棧橋鋼支架具有工廠化生產(chǎn)，工業(yè)化程度高，施工速度快等特點(diǎn)，因此在很多工程中得到廣泛使用。棧橋鋼支架分為三種，分別是單片式鋼支架、格構(gòu)式鋼支架、四柱式鋼支架，按照棧橋高度、功能不同采用不同的支架形式。工業(yè)建筑中輸煤棧橋桁架支座通常使用無(wú)阻尼支座，常規(guī)情況下一榀桁架一端設(shè)置鉸接支座和一端設(shè)置滑動(dòng)支座，地震及溫度變形由桁架的滑動(dòng)支座吸收，每一榀支架（帶鉸接連接的一榀桁架）自成一個(gè)抗震體系，每一榀桁架都是一個(gè)溫度單元。按照實(shí)際工程中棧橋高度及地震烈度確定使用何種支架形式，單片式鋼支架適用高度最低，格構(gòu)式鋼支架使用高度中等，四柱式鋼支架適用高度最高。

1 工程概況

本文以中煤平朔集團(tuán)有限公司平魯工業(yè)園區(qū)輸煤系統(tǒng)劣質(zhì)煤、塊精煤緩沖倉(cāng)至2號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)棧橋項(xiàng)目為例（桁架總長(zhǎng)1 000 m，寬6.9 m～7.5 m，抗震設(shè)防烈度為7度，第三組，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10 g，抗震等級(jí)為四級(jí)，基本風(fēng)壓0.5 kN/m2，按變化40℃考慮溫度荷載，棧橋支架采用熱軋無(wú)縫鋼管作為主材），該項(xiàng)目使用熱軋無(wú)縫鋼管作為支架的主要建筑材料，主受力構(gòu)件材料均采用Q345B，鋼支架柱容許長(zhǎng)細(xì)比按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］（GB 50011 -2010）有關(guān)規(guī)定，抗震等級(jí)四級(jí)不應(yīng)大于99（120235/fay=99），計(jì)算使用PKPM2010版V3.1的Spas+PMSAP的集成設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行桁架、支架的整體分析，研究支架的最佳布置方式及設(shè)計(jì)方法。該工程高度普遍低于20 m，大量采用單片式鋼支架及格構(gòu)式鋼支架形式，樓梯間采用四柱式鋼支架形式。

2 支架設(shè)計(jì)算例分析

2.1 單片式鋼支架設(shè)計(jì)

該工程的鋼結(jié)構(gòu)部分包含高度為5 m左右的桁架走廊，該部分支架可設(shè)計(jì)為單片式鋼支架，設(shè)置兩層垂直于桁架方向的斜撐，用以抵抗垂直桁架方向的地震作用。單片式鋼支架頂部一側(cè)使用鉸接支座連接桁架，另一側(cè)使用滑動(dòng)支座連接桁架，因此該榀支架只能看做下端剛接，上端懸臂結(jié)構(gòu)（鉸接端桁架遠(yuǎn)端為滑動(dòng)，所以該鉸接支座實(shí)際并不能約束水平位移），鋼支架柱順桁架方向計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)需按照有側(cè)移框架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取值，即μ取為2.03。由于只在垂直桁架方向均設(shè)置斜撐，因此兩個(gè)方向柱的計(jì)算長(zhǎng)度不同，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)方向受壓鋼管柱線彈性失穩(wěn)遠(yuǎn)早于另一個(gè)方向的壓彎失穩(wěn)。

對(duì)7 m高單片式支架計(jì)算，Spas+PMSAP分析結(jié)果顯示：X向（順桁架方向）地震工況下該單片式鋼支架頂X向最大位移39 mm，支架頂位移比Δ u/h=1/179。支架位移比同樣很難滿足建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中建筑層間位移角限值1/250。

例如5 m高單片式支架，順桁架方向計(jì)算長(zhǎng)度為10.06 m，按照長(zhǎng)細(xì)比控制（截面回轉(zhuǎn)半徑i需大于10.06×103/99=101.6 mm），鋼支架柱需用到φ299×8，i=102.9 mm。而對(duì)于垂直桁架方向，由于設(shè)置有橫向支撐且設(shè)置有抗側(cè)力構(gòu)件斜撐，可按照無(wú)側(cè)移框架考慮支架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)即取為0.732，以層高2.5 m考慮，垂直桁架方向計(jì)算長(zhǎng)度為1.83 m，按照長(zhǎng)細(xì)比控制（截面回轉(zhuǎn)半徑i需大于1.83×103/99=18.5 mm），鋼支架柱只需用到φ60× 6，i=19.2 mm（僅比較長(zhǎng)細(xì)比控制鋼支架柱截面的情況，暫未考慮應(yīng)力比控制鋼支架住截面的情況）。

根據(jù)以上算例，單片式支架實(shí)際上是一種垂直桁架方向截面非常富余，順桁架方向截面非常浪費(fèi)的支架布置方式。但考慮到施工方便、基礎(chǔ)造價(jià)低及基本不受場(chǎng)地制約的多種因素，單片式支架也能夠勝任高度比較低的桁架設(shè)計(jì)要求。

2.2 格構(gòu)式鋼支架設(shè)計(jì)

該工程鋼結(jié)構(gòu)部分前三榀桁架走廊高度為20 m以上，該部分鋼支架頂部順桁架方向地震位移比較大，可設(shè)計(jì)為格構(gòu)式鋼支架，以增加順桁架方向的抗側(cè)移剛度。格構(gòu)式鋼支架設(shè)置多層垂直于桁架方向的斜撐，用以抵抗垂直桁架方向的地震作用。格構(gòu)式鋼支架頂部一側(cè)使用鉸接支座連接桁架，另一側(cè)使用滑動(dòng)支座連接桁架。計(jì)算模型應(yīng)為下端固接，上端懸臂結(jié)構(gòu)（鉸接端桁架遠(yuǎn)端為滑動(dòng)，所以該鉸接支座實(shí)際并不能約束水平位移）。格構(gòu)式支架分為兩種，一種為雙柱式格構(gòu)支架，另一種為三柱式格構(gòu)支架。雙柱式格構(gòu)支架由于連接需要，梁、斜撐均需設(shè)置為雙柱格構(gòu)式構(gòu)件，三柱式格構(gòu)支架梁、斜撐可用單管連接于三柱式格構(gòu)支架的一個(gè)鋼管柱上。格構(gòu)式支架需控制支架頂?shù)卣鹚较蛭灰疲ㄓ捎诂F(xiàn)場(chǎng)施工及年久老化的緣故，經(jīng)常有個(gè)別滑動(dòng)支座失去部分乃至全部設(shè)計(jì)滑動(dòng)量，因此這里不按所有鋼支架頂部均產(chǎn)生相同地震位移的情況考慮，而按照假定之前滑動(dòng)支座失去滑動(dòng)能力后，之后鋼支架頂部地震位移量需全部由該滑動(dòng)支座吸收）與單榀桁架溫度變形之和小于滑動(dòng)支座滑動(dòng)量。由于格構(gòu)式支架柱的截面大小取決于支架頂部地震及溫度作用產(chǎn)生的位移，因此可通過(guò)兩種方法解決該問(wèn)題：方法之一為增加滑動(dòng)支座滑動(dòng)量，方法之二則需增加格構(gòu)式支架抗推剛度，增加格構(gòu)式支架鋼管柱間距、柱斷面或增加順桁架方向斜撐。

格構(gòu)式支架的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）能夠在一定程度上減低地震作用下順桁架方向的支架頂位移（提高了柱的抗側(cè)移剛度）；（2）由于各鋼管柱之間使用小橫撐連接，增加了各鋼管柱的側(cè)向支撐，減小了各鋼管柱的計(jì)算長(zhǎng)度。

例：20 m高四榀雙柱格構(gòu)式鋼支架，1.2 m寬支架，柱子采用φ325×8，根據(jù)Spas+PMSAP分析結(jié)果顯示：X向（順桁架方向）地震工況下該單片四柱單元鋼支架頂X向最大位移24 mm，支架頂位移比Δ u/h=1/833。滿足建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中建筑層間位移角限值1/250。30 m長(zhǎng)桁架按40℃考慮溫度變形14.4 mm（鋼材線膨脹系數(shù)12×10-6，桁架長(zhǎng)度30 m，40×30000×12×10-6=14.4 mm），總位移38.4 mm小于滑動(dòng)量40 mm，滿足滑動(dòng)支座滑動(dòng)量要求。格構(gòu)式支架的布置見(jiàn)圖1。

圖1 格構(gòu)式支架布置圖

2.3 四柱式鋼支架設(shè)計(jì)

該工程棧橋鋼桁架部分高度不高，因此不需要因?yàn)楦叨忍叨O(shè)置四柱式鋼支架，僅是在功能上需要設(shè)置四柱式鋼支架。四柱式鋼支架在垂直桁架及順桁架兩個(gè)方向上均需設(shè)置多層斜撐，以用其抵抗兩個(gè)方向的地震作用。

四柱式鋼支架的優(yōu)點(diǎn)在于：由于垂直桁架及順桁架兩個(gè)方向均設(shè)置斜撐，因此兩個(gè)方向柱的計(jì)算長(zhǎng)度相同，不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)方向受壓鋼管柱線彈性失穩(wěn)遠(yuǎn)早于另一個(gè)方向的壓彎失穩(wěn)，柱截面在兩個(gè)方向慣性矩均能得到充分的利用。四柱式鋼支架的缺點(diǎn)在于：占地面積大，鋼支架本身用鋼量多，工程費(fèi)用高，基礎(chǔ)造價(jià)高。

另外四柱式鋼支架因?yàn)槠淇臻g更富裕，結(jié)構(gòu)更適合設(shè)置樓層，因此可以很方便的做為一個(gè)疏散出口設(shè)置鋼梯。

2.4 單片四柱單元式鋼支架設(shè)計(jì)

該工程的鋼結(jié)構(gòu)部分還包含很長(zhǎng)一段高度為5 m～20 m之間的桁架走廊。鋼支架如果全部設(shè)置為單片式支架，由于柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)需按有側(cè)移框架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取值，造成支架鋼管柱受地震作用影響并不能得到充分利用，從而造成工程造價(jià)的提高；鋼支架如果全部設(shè)置為格構(gòu)式支架，不但支架造價(jià)高，而且由于柱子設(shè)置更多，基礎(chǔ)造價(jià)也會(huì)更高。基于以上考慮，該部分支架可設(shè)計(jì)為單片四柱單元式鋼支架，從而在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下降低工程造價(jià)。

另外由于單片四柱單元式鋼支架在垂直桁架方向及順桁架方向的剛度布置均勻，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)體系在地震作用下更趨于平動(dòng)，減小了地震作用下扭轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。

我們將單片式鋼支架與四柱式鋼支架結(jié)合在一起，形成若干個(gè)整體的無(wú)側(cè)移單元（強(qiáng)支撐框架單元）進(jìn)行組合，之間以抗震縫或一端鉸接支座、一端滑動(dòng)支座的桁架（聯(lián)系桁架）進(jìn)行聯(lián)建，單元內(nèi)的順桁架方向地震力通過(guò)四柱式鋼支架（四柱式鋼支架斜撐）抗推剛度抵抗，而單元之間的溫度變形及地震變形產(chǎn)生的位移或由兩個(gè)單片四柱單元之間設(shè)置的一端鉸接支座和一端滑動(dòng)支座的桁架滑動(dòng)支座吸收，或由兩個(gè)單片四柱單元之間設(shè)置的抗震縫來(lái)滿足變形要求。

按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］5.3.3條規(guī)定，強(qiáng)支撐框架框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)μ按本規(guī)范附錄D表D-1無(wú)側(cè)移框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)確定，即單片式鋼支架柱順桁架方向計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)μ取為0.732，單片式鋼支架的適用高度范圍將大大提高，順桁架方向柱截面也能得到充分利用，進(jìn)而降低工程造價(jià)。

2.5 驗(yàn) 算

2.5.1 一組單片四柱單元為例

按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］（GB 50017-2003）5.3.3-2中第1）條的規(guī)定，驗(yàn)算15 m高單片四柱單元式鋼支架在順桁架方向是否為強(qiáng)支撐體系。圖2中中間支架為四柱式鋼支架，兩邊支架為單片式鋼支架，與所搭接的兩個(gè)鋼桁架組成一個(gè)單片四柱單元式鋼支架。

圖2 單片四柱單元式鋼支架

Spas+PMSAP分析結(jié)果顯示：X向（順桁架方向）地震工況下該單片四柱單元鋼支架頂X向最大位移13 mm，支架頂位移比Δ u/h=1/1154。滿足建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中建筑層間位移角限值1/250。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.3-2中第1）條：當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)（支撐桁架、剪力墻、電梯井等）的側(cè)移剛度（產(chǎn)生單位側(cè)傾角的水平力）Sb滿足公式Sb≥3（1.2∑Nbi-∑N0i）的要求時(shí)，為強(qiáng)支撐框架，框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)μ按本規(guī)范附錄D表D-1無(wú)側(cè)移框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)確定。

式中∑Nbi-∑N0i為第i層層間所有框架柱用無(wú)側(cè)移框架和有側(cè)移框架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)算得的軸壓桿穩(wěn)定承載力之和。

結(jié)論：按照鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范5.3.3-2中第1）條的規(guī)定，該15 m高單片四柱單元式鋼支架在順桁架方向?yàn)閺?qiáng)支撐體系，鋼支架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)μ按照鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范附錄D表D-1無(wú)側(cè)移框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)確定，對(duì)于單片四柱單元內(nèi)的單片式支架，順桁架方向的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)可取為0.732。

2.5.2 兩個(gè)單片四柱單元式鋼支架聯(lián)建

在實(shí)際工程中，棧橋桁架很長(zhǎng)，實(shí)際工程中需要把兩個(gè)單片、四柱單元式鋼支架與一個(gè)聯(lián)系桁架進(jìn)行組合，其最中間一榀桁架（聯(lián)系桁架）一端與一個(gè)單元（如左邊單元）一端單片支架柱頂連接方式設(shè)置成鉸接，另一端與另一個(gè)單元（如右邊單元）一端單片支架柱頂連接方式設(shè)置成滑動(dòng)，單元之間溫度變形及地震變形產(chǎn)生的位移由中間聯(lián)系桁架設(shè)置的滑動(dòng)支座吸收，如此既滿足了抗震、溫度變形的要求，又適當(dāng)?shù)慕档土似渲袉纹戒撝Ъ苤?jì)算長(zhǎng)度，從而達(dá)到了降低工程造價(jià)的目的。以實(shí)際工程中（單榀桁架30 m長(zhǎng)）為例，聯(lián)建之后的兩個(gè)四柱式鋼支架可設(shè)置疏散樓梯，疏散距離100 m左右，能夠滿足疏散要求，兩個(gè)聯(lián)建的單片四柱單元用抗震縫隔開(kāi)，兩個(gè)抗震縫之間距離150 m左右，從而滿足抗震縫的設(shè)置要求（見(jiàn)圖3）。

圖3 兩個(gè)單片四柱單元式鋼支架聯(lián)建

3 結(jié) 論

從該工程鋼支架設(shè)計(jì)過(guò)程中可以看到，一條棧橋布置何種鋼支架形式（單片式鋼支架、格構(gòu)式鋼支架、四柱式鋼支架）由工程所需的棧橋高度、所在場(chǎng)地的抗震烈度、當(dāng)?shù)販囟茸兓浚囟茸冃渭暗卣鹱冃萎a(chǎn)生的位移）決定，同時(shí)也要考慮工程實(shí)際的場(chǎng)地狀況及使用功能上的要求。

實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)使用單片四柱單元式鋼支架進(jìn)行棧橋布置，不僅能滿足工程中的功能要求，而且該單元中單片式鋼支架的適用高度范圍將大大提升，柱截面用鋼量也能大大降低，進(jìn)而降低工程造價(jià)，是比較經(jīng)濟(jì)的一種布置方式。

［1］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50017-2003［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003：53.

［2］ 中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011-2010［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：104.

［3］ 汪 濤.黃陵一號(hào)井儲(chǔ)煤場(chǎng)棧橋高支架設(shè)計(jì)［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2012（12）：135－137.

［4］ 朱钅月莉，王德鋒，王朝霞.特寬型鋼結(jié)構(gòu)輸煤棧橋的設(shè)計(jì)［J］.煤炭工程，2014，46（4）：26－28.

［5］ 李正坤，李曉文，孫曉嶺，等.超大跨長(zhǎng)距離輸煤棧橋考慮地震動(dòng)行波效應(yīng)影響分析研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2011，9（2）：126－132.

［6］ 劉厚營(yíng)，李曉文，李正坤.連續(xù)大跨輸煤棧橋在不同地震強(qiáng)度下的時(shí)程分析［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2012，10（4）：78－83.

［7］ 李 峰，閆芳芳，白 韜.大跨度輸煤鋼結(jié)構(gòu)棧橋模態(tài)及豎向地震響應(yīng)［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（5）：549－553.

［8］ 金 松.鋼棧橋空間結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)［J］.煤炭工程，2012（S2）：72－74.

［9］ 李海云，舒贛平，徐 昆.某大型鋼結(jié)構(gòu)輸煤棧橋設(shè)計(jì)計(jì)算與分析［J］.特種結(jié)構(gòu)，2012，29（3）：38－41.

［10］ 武海杰，陳 麗.火電廠鋼結(jié)構(gòu)輸煤棧橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)［J］.山西建筑，2012，38（20）：44－45.

［11］ 沈海鵬，陳徐均，苗玉基.裝配式高架棧橋結(jié)構(gòu)模態(tài)分析［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，17（1）：67－71.

［12］ 武 江，張略秋，黃長(zhǎng)華.鋼框架柱間支撐側(cè)移剛度簡(jiǎn)化計(jì)算及程序設(shè)計(jì)［J］.山西建筑，2010，36（31）：52－54.［13］ 李嘉威，李大漢.鋼結(jié)構(gòu)棧橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討［J］.市政?交通?水利工程設(shè)計(jì)，2016（2）：99－100.

［14］ 解寶安.火電廠輸煤棧橋試運(yùn)振動(dòng)現(xiàn)象分析及處理［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（S1）：80－83.

The Arrangement Mode of Trestle Steel Support in Pinglu Industrial Park

GAO Yan，YANG Xiaojun，LIU Jianzhou
（China Coal Xi’an Design Engineering Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi 710054，China）

There are many layouts of coal transport trestle steel supporting structures，such as single steel sheet supporting structure，lattice steel supporting structure and four pillars steel supporting structure.Generally the bracket arrangement in the concrete engineering is in different heights and different support forms are used.Based on the finite element analysis of the whole model，this paper proposed a new method for the arrangement of the transport trestle support，which combines two kinds of steel bracket single steel sheet supporting structure and four pillars steel supporting structure together，the new method could enhance the seismic performance of the unit structure and reduce material waste for influence of effective length factor.

coal transport trestle；steel support；lateral stiffness；earthquake displacement；temperature deformation

TU323.4

A

1672—1144（2016）05—0235—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.045

2016－06－04

2016－07－01

高 巖（1980—），男，陜西西安人，工程師，主要從事工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E－mail：gaoyand@126.com