試論大跨度鋼桁架帶式輸送機(jī)的棧橋設(shè)計(jì)

馬琴

摘 要：大跨度鋼桁架帶式輸送機(jī)棧橋是煤炭礦井以及大型電廠等工業(yè)場(chǎng)地中十分重要的構(gòu)筑物，隨著社會(huì)的發(fā)展及煤炭自動(dòng)化運(yùn)輸?shù)男枨?，鋼棧橋的跨度越?lái)越大，然而，我國(guó)針對(duì)其相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范并沒(méi)有進(jìn)行統(tǒng)一編制和規(guī)定。文章通過(guò)對(duì)某煤礦鋼結(jié)構(gòu)棧橋選用平行弦桁架和下?lián)问借旒苓M(jìn)行綜合的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較和研究，認(rèn)為封閉式大跨度鋼棧橋選用平行弦桁架較為合理。

關(guān)鍵詞：輸煤棧橋；大跨度；鋼桁架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）28-0102-03

引言

在煤炭礦井、洗煤廠以及大型電廠等工業(yè)場(chǎng)地的構(gòu)筑物當(dāng)中，棧橋在整個(gè)內(nèi)部運(yùn)輸系統(tǒng)當(dāng)中發(fā)揮著極具重要的作用，是整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)；尤其是其內(nèi)部相應(yīng)的帶式輸送機(jī)更是作用巨大，其能夠?qū)㈨肥K煤及原煤等所需原料，運(yùn)送至主廠房及破碎車(chē)間等建筑物當(dāng)中，使其進(jìn)行儲(chǔ)存及洗選操作。依據(jù)棧橋廊身在結(jié)構(gòu)形式上的差異，可將其劃分為鋼與鋼筋混凝土的組合結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等。隨著這些年工業(yè)現(xiàn)代化步伐的加快，鋼結(jié)構(gòu)棧橋受到廣泛重視和應(yīng)用，其自身具有重量輕、造型美觀、抗震性較好及跨度大等特點(diǎn)，尤其是在那些較長(zhǎng)距離運(yùn)送的狀況下，大跨度鋼桁架棧橋的應(yīng)用更為廣泛。

本文以某煤礦工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)新應(yīng)用的輸煤系統(tǒng)棧橋?yàn)槔枰匝芯糠治?。輸煤棧橋結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，耐火等級(jí)二級(jí)，屋面防水等級(jí)為三級(jí)，抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為6度，地震加速度0.05g，所屬的設(shè)計(jì)地震分組為第三組。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的使用年限是50年。棧橋?yàn)槿忾]的單皮帶機(jī)鋼結(jié)構(gòu)棧橋，膠帶機(jī)支腿中心線距離為1.69m，棧橋橋體寬度為3.6m。此棧橋距地面的最大高度為58m，最小高度20m，爬升高度為38m。本文選取輸煤系統(tǒng)棧橋中一跨度為44m棧橋進(jìn)行討論。針對(duì)大跨度棧橋采用不同結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比較分析，并對(duì)大跨度鋼桁架棧橋的施工時(shí)制作安裝等方面做出闡述，并最終實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 棧橋結(jié)構(gòu)形式分析

針對(duì)當(dāng)前我國(guó)大跨度輸煤棧橋來(lái)講，其在具體的結(jié)構(gòu)形式上，通常情況下采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)形式在具體應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)上已經(jīng)比較成熟，而采用封閉式的棧橋在實(shí)際當(dāng)中更為合理，其不僅對(duì)于承受荷載具有突出的作用，并且對(duì)整個(gè)封閉體系來(lái)講，鋼桁架提供了牢固的骨架支撐。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(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)桁架的高度、樓板的跨度以及腹桿的角度來(lái)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(dāng)不能布置成偶數(shù)時(shí)，中間可采用交叉斜腹桿；端部斜腹桿應(yīng)下斜至棧橋支座方向受力較合理。桁架的高度一般為桁架跨度的1/12～1/5。桁架弦桿和腹桿之間的夾角應(yīng)控制在35°～55°。承重桁架所受豎向荷載主要為通過(guò)橫梁傳來(lái)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(chē)的吊車(chē)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(duì)水平支撐桁架弦桿的作用力應(yīng)作為附加荷載加載到承重桁架上，按照工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，該附加荷載占總豎向荷載作用力的15%左右，在截面余量遠(yuǎn)大于15%的情況下可不另外計(jì)算。棧橋常見(jiàn)跨度一般為25～35m，主要采用三角形梁式桁架。其優(yōu)點(diǎn)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(dāng)棧橋跨度大于40m時(shí)，采用三角形梁式桁架就不顯得經(jīng)濟(jì)實(shí)用，應(yīng)采用帶下?lián)问戒撹旒芙Y(jié)構(gòu)。這種桁架跨度可限制在100m以?xún)?nèi)，屬于一次超靜定結(jié)構(gòu)。當(dāng)跨度再加大時(shí)，就需要采用預(yù)應(yīng)力桁架了，否則一般的梁式桁架的高度不能滿(mǎn)足要求。

在進(jìn)行常規(guī)設(shè)計(jì)當(dāng)中，桁架結(jié)構(gòu)被看做是鏤空的簡(jiǎn)支梁，輕巧簡(jiǎn)單，從力學(xué)方面分析，桁架結(jié)構(gòu)與簡(jiǎn)支梁的彎矩圖相似，上下弦桿的軸力分布均勻，上弦桿受壓，下弦桿受拉，共同作用抵抗彎矩作用。桁架在具體的結(jié)構(gòu)形式上主要包括兩種，分別為下?lián)问胶推叫邢沂?。?dāng)采用平行弦桁架時(shí)，其相應(yīng)的支座主要在下弦兩端節(jié)點(diǎn)位置處。對(duì)于平行弦桁架來(lái)講，在桁架平面高度范圍之內(nèi)，可將其作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的側(cè)墻骨架，外側(cè)掛檁條即可成為墻面；當(dāng)采用下?lián)问借旒軙r(shí)，其相應(yīng)的支座主要在上弦端節(jié)點(diǎn)位置處，其優(yōu)點(diǎn)不僅是桁架自重有利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，而且從受力途徑上講，下?lián)问借旒艿慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與梁構(gòu)件的彎矩包絡(luò)圖較為接近，因此在受力方面也更為合理。對(duì)于下?lián)问借旒軄?lái)講，其缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，即比較適用露天結(jié)構(gòu)，針對(duì)本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)棧橋上部結(jié)構(gòu)，考慮在下?lián)问借旒苌喜孔鲩T(mén)式剛架結(jié)構(gòu)，一方面為了做到棧橋的圍護(hù)，另一方面采用門(mén)式鋼架用以達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。為保證桁架的整體穩(wěn)定，在桁架的兩端設(shè)置較強(qiáng)的門(mén)形剛架。而對(duì)于桁架的支撐體系，在桁架上、下弦平面內(nèi)沿全長(zhǎng)設(shè)置縱向和橫向水平支撐。

2 計(jì)算荷載取值

本次棧橋設(shè)計(jì)的活荷載按照《洗煤廠建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50583-2010及《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《荷載規(guī)范》），棧橋活載荷載取值如下。

《荷載規(guī)范》第5.3.3規(guī)定不上人屋面活荷載可不與雪荷載和風(fēng)荷載同時(shí)組合，此處基本雪壓低于基本風(fēng)壓，因此本次設(shè)計(jì)時(shí)活載組合考慮屋面活載和風(fēng)荷載的組合。

棧橋恒荷載取值如下：（1）屋蓋為100厚巖棉夾芯板及檁條其標(biāo)準(zhǔn)值為0.35kN/m2。（2）墻面為100厚巖棉夾芯板及檁條其標(biāo)準(zhǔn)值為0.35kN/m2。（3）樓面為70厚砼和波高為130mm壓型鋼板組成的組合樓板，折算自重標(biāo)準(zhǔn)值為3.38kN/m2。（4）鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重由計(jì)算軟件《鋼桁架計(jì)算程序》自行進(jìn)行計(jì)算。

桁架結(jié)構(gòu)及其支撐受力計(jì)算時(shí)將上述面荷載轉(zhuǎn)換成對(duì)棧橋節(jié)點(diǎn)的集中荷載，輸入《鋼桁架計(jì)算程序》PKPM軟件中的STS鋼桁架模塊，就可以得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

3 平行弦桁架設(shè)計(jì)endprint

本次討論跨度為44m鋼桁架棧橋，其最高處距地面高度為20m。設(shè)計(jì)初步確定桁架結(jié)構(gòu)高度時(shí)，可按照1/10～1/15的相應(yīng)跨度進(jìn)行確定，通過(guò)對(duì)建筑的使用要求及外形美觀在工程當(dāng)中的實(shí)際應(yīng)用，本次設(shè)計(jì)采用矢高3.5m。桁架計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1，工程現(xiàn)場(chǎng)傾斜度為6.2°。

為承受水平荷載，并保證棧橋的整體穩(wěn)定，需要設(shè)置棧橋的支撐體系。本工程棧橋橋體水平支撐的設(shè)置如下：在桁架上弦和下弦平面內(nèi)，分別設(shè)置橫向水平支撐，間距為2.5m，總共為18跨；且每間隔2.5m，在兩榀鋼桁架之間上下弦處各設(shè)置17道水平橫梁，上弦支撐平面水平橫梁之間設(shè)置K型角鋼支撐；下弦支撐平面水平橫梁之間設(shè)置通長(zhǎng)系桿且在桁架兩端及中部設(shè)置交叉支撐，以此達(dá)到對(duì)棧橋底板以及走道板進(jìn)行支撐的效果。為保證棧橋的整體穩(wěn)定，根據(jù)在桁架兩端位置處設(shè)置門(mén)形鋼架。桁架的支座按照一端為滑動(dòng)支座另一端為固定支座進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)《鋼桁架計(jì)算程序》（PKPM-STS）的鋼桁架模塊?？紤]到桁架上下弦平面內(nèi)水平支撐的重量沒(méi)有輸入到模型中，因此桁架設(shè)計(jì)時(shí)按照強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力比限值0.85，穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)力比限值0.85進(jìn)行考慮，留出一定的富余量。鋼桁架模塊建模計(jì)算并優(yōu)化后：上下弦采用H400X250X10X16；端門(mén)架采用HW300X300；斜腹桿最大桿HW200X200，最小桿HW125X125；豎桿HW100X100。水平風(fēng)荷載由桁架上下弦平面內(nèi)橫向水平支撐承受，設(shè)計(jì)水平支撐時(shí)考慮建模計(jì)算。上弦平面內(nèi)橫向水平支撐采用HW125X125間距2.5m，K型支撐L63X4間距2.5m。因桁架下弦平面不僅承受水平風(fēng)荷載同時(shí)支撐著組合樓板，所以下弦平面內(nèi)橫向水平支撐采用工25a間距2.5m，保證棧橋縱向穩(wěn)定，在棧橋中部設(shè)置縱向通長(zhǎng)系桿L50X4，棧橋兩端及中部設(shè)計(jì)交叉支撐2L50X4以保證其穩(wěn)定。

4 下?lián)问借旒茉O(shè)計(jì)

同樣以跨度為44m鋼桁架棧橋?yàn)槔?，為了保證橋體的封閉，在下?lián)问戒撹旒苌喜吭O(shè)置用鋼量較省的門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)。共計(jì)設(shè)置19榀門(mén)式剛架間距2.5m，其中棧橋兩端設(shè)置較強(qiáng)門(mén)型剛架。橋體寬度與平行弦桁架棧橋相同均為3.6m。設(shè)計(jì)下?lián)问借旒芙Y(jié)構(gòu)失高時(shí)，考慮其受力特性及經(jīng)濟(jì)性采用3.5m。下?lián)问借旒苡?jì)算簡(jiǎn)圖如圖2，工程現(xiàn)場(chǎng)傾斜度為6.2°。

采用下?lián)问借旒?，其上弦平面支撐上部整個(gè)結(jié)構(gòu)體系，因此在桁架上弦平面內(nèi)，分別設(shè)置水平支撐，間距為2.5m，總共為18跨：每間隔2.5m，在兩榀鋼桁架之間上弦處設(shè)置17道水平橫梁，將縱梁在水平橫梁間進(jìn)行設(shè)置，并設(shè)置角鋼交叉支撐間距為5.0m，以此達(dá)到對(duì)棧橋底板以及走道板進(jìn)行支撐的效果。在下弦平面內(nèi)，設(shè)置橫向水平支撐間距2.5m，交叉支撐間距22m。在桁架兩端位置處設(shè)置門(mén)形鋼架。桁架的兩端支座按照一端為滑動(dòng)支座另一端為固定支座設(shè)計(jì)。經(jīng)核算上部門(mén)式剛架梁柱截面均為[]14a對(duì)焊。將門(mén)式剛架傳來(lái)內(nèi)力，并將屋面、樓面及墻面的面荷載轉(zhuǎn)換成對(duì)下?lián)问借旒苌舷夜?jié)點(diǎn)的集中荷載，通過(guò)將其輸入至《PKPM計(jì)算程序》STS中的鋼桁架模塊，進(jìn)行計(jì)算并不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果后：上弦采用HM340X250，下弦采用H600X250X10X16；端門(mén)架采用HW300X300；斜腹桿最大桿HW175X175，最小桿HW125X125；受壓豎桿HW150X150，其余豎桿取HW100X100；上弦平面內(nèi)橫向水平支撐采用HN300X150間距2.5m，交叉支撐L63X4間距5.0m。下弦平面內(nèi)橫向水平支撐采用工20a間距2.5m，交叉支撐L50X4間距5.0m保證棧橋縱向穩(wěn)定。桁架上部門(mén)式鋼架梁柱均選截面為[]14a對(duì)焊，屋面及柱間交叉支撐均為L(zhǎng)63X4。

5 兩種橋體結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

將跨度為44m的單皮帶機(jī)帶式輸送機(jī)棧橋分別采用平行弦鋼桁架及下?lián)问戒撹旒苓M(jìn)行方案比較，對(duì)比其所存在的經(jīng)濟(jì)性。本次設(shè)計(jì)中的檁條、夾芯板、組合樓板對(duì)于兩個(gè)方案來(lái)講用量相同，故不列入表中。經(jīng)筆者核算統(tǒng)計(jì)后，兩種結(jié)構(gòu)的鋼材用量比較見(jiàn)表2。

按照每噸鋼材的制作與安裝花費(fèi)5600元考慮，平行弦桁架比下?lián)问借旒芸傇靸r(jià)節(jié)約1.87萬(wàn)元，節(jié)約率為9.6%。通過(guò)對(duì)比可知，本次44米跨度的封閉式帶式輸送機(jī)棧橋采用平行弦鋼桁架結(jié)構(gòu)較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用。前文提到的下?lián)问借旒芙Y(jié)構(gòu)圖和彎矩圖接近的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)因?yàn)樯喜块T(mén)式鋼架的用鋼量消耗，整體優(yōu)勢(shì)不存在。但是從單榀桁架制作安裝來(lái)說(shuō)，平行弦桁架耗鋼量比下?lián)问戒撹旒芏?.3%。因此當(dāng)棧橋?yàn)槁短鞐驎r(shí)，相同跨度的鋼桁架，下?lián)问浇Y(jié)構(gòu)受力更合理，采用下?lián)问戒撹旒芎匿摿枯^少，優(yōu)勢(shì)較為明顯。

6 鋼結(jié)構(gòu)制作安裝及施工要求

大跨度鋼棧橋相比普通棧橋來(lái)說(shuō)，施工要求更為嚴(yán)格。大跨度鋼棧橋安裝過(guò)程中，高強(qiáng)度螺栓連接之處的構(gòu)件接觸面需要進(jìn)行噴砂處理，接觸面抗滑移的系數(shù)應(yīng)≥0.45；鋼結(jié)構(gòu)制作、安裝及驗(yàn)收不僅要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)圖的要求，同時(shí)還需要滿(mǎn)足《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50205-2001）的要求；所有構(gòu)件長(zhǎng)度及支座底的標(biāo)高都主要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際放樣，確定尺寸無(wú)誤之后才可以進(jìn)行加工支座。桁架需采用節(jié)點(diǎn)板來(lái)進(jìn)行連接，腹桿間的凈距應(yīng)≥15mm，節(jié)點(diǎn)板邊距同腹桿軸線的夾角應(yīng)≥20°。大跨度鋼桁架橋梁中的普通螺栓需滿(mǎn)足如下要求：C級(jí)螺栓的性能等級(jí)需要達(dá)到4.6，錨栓的等級(jí)應(yīng)為Q345-B；高強(qiáng)度螺栓需要滿(mǎn)足：10.9級(jí)螺栓，摩擦型的高強(qiáng)度螺栓其摩擦系數(shù)應(yīng)≥0.45。大跨度鋼桁架橋梁中的焊條、焊絲、鋼材、連接材料、涂料、底漆、螺栓、面漆等都需要附有相應(yīng)的質(zhì)量證明書(shū)。本工程平行弦桁架結(jié)構(gòu)、端部門(mén)架及支撐等材質(zhì)均屬于Q235B；下?lián)问借旒艹孪覘U采用Q345B外，其余構(gòu)件材質(zhì)均屬于Q235B。結(jié)構(gòu)材料的性能不僅要符合《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T1591-1994）的規(guī)定，還要符合GB/T700-1988規(guī)定，并還要滿(mǎn)足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求。

為改善外觀和符合使用條件，施工大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架時(shí)，跨度大于24m的棧橋在鋼結(jié)構(gòu)拼裝時(shí)應(yīng)預(yù)留一定的起拱量，一般可取為恒載標(biāo)準(zhǔn)值加1/2活載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的撓度值，也可根據(jù)實(shí)際需要而定，業(yè)內(nèi)通常做法是對(duì)于跨度大于等于24m的梯形或平行弦桁架，起拱度可取為棧橋跨度的1/500。

7 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前我國(guó)對(duì)煤炭資源進(jìn)行了整合，小煤礦逐漸取消，礦井多建設(shè)至山區(qū)，需要跨越河流、鐵路等，受場(chǎng)地限制，棧橋跨度越來(lái)越大。本文通過(guò)對(duì)封閉式大跨度鋼桁架棧橋上述兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和比較可知，對(duì)于大跨度帶式輸送機(jī)封閉棧橋來(lái)講，其采用平行弦鋼桁架結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)方面有一定的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)單榀鋼桁架用鋼量的比較，說(shuō)明下?lián)问戒撹旒芎匿摿枯^省，因此在不需要封閉的露天棧橋中，下?lián)问戒撹旒芨鼮榻?jīng)濟(jì)合理。在具體的煤礦或電廠棧橋設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，要懂得善于運(yùn)用鋼桁架的不同結(jié)構(gòu)形式。具體工程實(shí)例中也可以根據(jù)實(shí)際情況，可考慮兩種結(jié)構(gòu)形式相結(jié)合使用，比如帶下?lián)蔚钠叫邢诣旒?，以達(dá)到較好的設(shè)計(jì)效果。

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