大跨度鋼棧橋結(jié)構(gòu)在采煤現(xiàn)場的設(shè)計(jì)應(yīng)用

郭濤

（中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，西安710054）

1 引言

通常在煤礦地面建筑的設(shè)計(jì)中，皮帶棧橋是連接驅(qū)動機(jī)房、篩分車間、原煤倉、產(chǎn)品倉及儲煤場等建構(gòu)筑物的輸煤功能性構(gòu)筑物。輸煤棧橋在煤礦開采現(xiàn)場作為運(yùn)輸各級煤料的輸煤結(jié)構(gòu)，起到了調(diào)節(jié)、運(yùn)轉(zhuǎn)煤資源的作用。在結(jié)構(gòu)選型方面，一般垂直高度不大于5m 的棧橋通?？刹捎闷鲶w結(jié)構(gòu)的形式，垂直高度在5～10m 的棧橋可采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，而垂直高度大于10m 時，通常會采用鋼桁架的結(jié)構(gòu)形式。鋼桁架具有自重輕、施工周期短、受力明確以及更符合力學(xué)假定等優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)代煤礦地面建筑設(shè)計(jì)中，鋼桁架在皮帶棧橋的運(yùn)用越來越廣泛。

鋼桁架常采用的跨度在20～40m，30m 跨度的鋼桁架采用頻率尤其之多。隨著選煤工藝的不斷發(fā)展，為尋求更多的經(jīng)濟(jì)效益，選煤工藝要求產(chǎn)品煤的種類更為細(xì)化，種類更多，對輸煤棧橋的要求也在不斷提高?，F(xiàn)在的棧橋由傳統(tǒng)的單皮棧橋不斷發(fā)展到雙皮帶、多皮帶棧橋，棧橋的跨度也在不斷擴(kuò)大。

2 鋼輸煤棧橋的結(jié)構(gòu)組成

鋼輸煤棧橋的結(jié)構(gòu)主要由2 大部分組成：鋼桁架通廊和鋼支架。鋼桁架棧橋的主體構(gòu)件是由上弦桿、下弦桿、腹桿、上下弦水平支撐、端部門架等構(gòu)件鉸接組成的靜定桁架結(jié)構(gòu)，并設(shè)有走道板和圍護(hù)結(jié)構(gòu)；鋼支架可采用框架結(jié)構(gòu)或格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)。

3 鋼桁架棧橋的設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

本工程是某煤礦篩分車間至1#轉(zhuǎn)載站的輸煤棧橋，受當(dāng)?shù)氐匦蜗拗?，需要跨過當(dāng)?shù)卮迕褡鎵?，棧橋必須設(shè)計(jì)為大跨度才可滿足實(shí)際的建設(shè)要求。因此，設(shè)計(jì)過程中將此跨定為51m的鋼桁架棧橋。

3.2 桁架結(jié)構(gòu)體系的合理布置

首先，為了保證棧橋在實(shí)際工作中的整體穩(wěn)定，桁架的高跨比一般取1/8～1/12，就本工程而言，因跨度大，按此高跨比取值，桁架的高度在4.3～6.4m，如此取值高度過大，所以，設(shè)計(jì)時考慮采用在桁架跨中下弦桿拉應(yīng)力產(chǎn)生較大的區(qū)域設(shè)置下拉桿，以減弱作用在桁架上的荷載對桁架桿件產(chǎn)生的內(nèi)力。在設(shè)置下弦拉桿后，主桁架及下弦拉桿的高度均取3.3m；在寬跨比方面，大跨度桁架棧橋也應(yīng)具有足夠的側(cè)向剛度，以保證在橫向風(fēng)荷載的作用下，不會在橫向產(chǎn)生過大的變形，因此，寬跨比也有限值，一般情況下寬跨比在1/10～1/12，本工程寬4.4m[1]。

桁架由于跨度大，工作中桿件會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，因此，上下弦桿及下弦拉桿均采用國標(biāo)HW250mm×250mm 型鋼，腹桿采用常用的雙L 角鋼布置。桁架的上下弦水平支撐因需要起到承擔(dān)棧橋受到的橫向風(fēng)荷載及提高桁架平面外剛度的考慮，故通常采用單角鋼X 交叉布置。桁架兩端門架采用H型鋼作為門架柱和門架梁。桁架最終布置如圖1 所示。

圖1 51m桁架結(jié)構(gòu)布置形式

3.3 鋼支架設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

3.3.1 鋼支架

首先，作為鋼桁架的支撐結(jié)構(gòu)，考慮到桁架傳至支架頂端橫向風(fēng)荷載的影響，鋼支架在設(shè)計(jì)時需考慮寬高比的要求，一般情況支架的寬高比不宜大于1∶6。其次，鋼支架在現(xiàn)場場地條件滿足的情況下，可選擇采用四柱框架結(jié)構(gòu)形式。此形式在縱向和橫向剛度都能得到良好的保證[2]。若條件不允許，亦可采用格構(gòu)柱的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3.2 鋼支架基礎(chǔ)

設(shè)計(jì)鋼支架基礎(chǔ)時，應(yīng)考慮抗傾覆和抗滑移設(shè)計(jì)。進(jìn)行地基承載力計(jì)算的同時，還要考慮地基變形的驗(yàn)算。當(dāng)基礎(chǔ)采用樁基時，鋼支架傳至基礎(chǔ)的水平力和彎矩均較常規(guī)構(gòu)筑物要大些，所以，在設(shè)計(jì)過程中，樁基在滿足單樁豎向承載力的同時，還要滿足單樁水平承載力和抗拔承載力的要求。

3.4 鋼桁架設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

3.4.1 鋼桁架桿件

鋼桁架從力學(xué)特點(diǎn)方面來說就是格構(gòu)梁，桁架的各個桿件之間通過鉸接連接形成穩(wěn)定的靜定結(jié)構(gòu)。各個桿件在理想狀態(tài)下僅受沿桿件軸向的拉應(yīng)力。

在鋼桁架設(shè)計(jì)過程中，桿件首先需要滿足穩(wěn)定設(shè)計(jì)的構(gòu)造要求，其中最主要的指標(biāo)就是長細(xì)比的滿足。GB 50205—《鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中7.4 節(jié)有過規(guī)定，受壓構(gòu)件的長細(xì)比允許限值為1/150，受拉構(gòu)件的長細(xì)比允許限值為1/300。設(shè)計(jì)桁架時，選擇滿足長細(xì)比要求的桿件進(jìn)行建模布置[3]。

在常規(guī)跨度的桁架設(shè)計(jì)中，桿件的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力比通?？刂圃?.9 以下，但大跨度棧橋由于跨度大，在實(shí)際工作中會因溫差的原因產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，橫向風(fēng)荷載、水平支撐對桁架產(chǎn)生的支撐反力也較大。因此，在設(shè)計(jì)大跨度棧橋時，桿件的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力比應(yīng)控制在0.8 或0.85 以下較為安全。

3.4.2 支座設(shè)計(jì)

鋼桁架受地震力、溫度應(yīng)力或其他荷載的作用，會在桁架兩側(cè)產(chǎn)生縱向水平位移變形，故而在桁架設(shè)計(jì)時，會在鋼桁架兩側(cè)設(shè)置支座（高端為滑動支座釋放變形位移，低端為鉸支座），整個鋼桁架形成簡支靜定結(jié)構(gòu)。

鉸支座一般滿足壓應(yīng)力的設(shè)計(jì)要求即可；滑動支座在滿足壓應(yīng)力要求的前提下，應(yīng)注意滑動行程間距。可根據(jù)當(dāng)?shù)販夭詈弯摬木€膨脹系數(shù)確定滑動的行程間距。

3.4.3 局部細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

大跨度桁架由于跨度大，設(shè)置在桁架兩端的門架對桁架跨中的橫向扭轉(zhuǎn)的約束會隨著跨度越大而變得越弱。為了保證大跨度桁架跨中不會產(chǎn)生大幅度扭轉(zhuǎn)變形，要提高整個棧橋在橫斷面上剛度。通?？刹捎迷阼旒苤备箺U和上弦橫梁夾角處設(shè)置隅撐，使局部形成穩(wěn)定的三角形穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)，從而提高桁架在橫斷面方向的剛度，減弱扭斷變形對桁架的影響。

大跨度的桁架在設(shè)計(jì)時，由于桁架高度較常規(guī)桁架要高，在設(shè)計(jì)時，為了各個桿件能更好地發(fā)揮各自性能，桁架直腹桿和斜腹桿、上下弦桿和斜腹桿的夾角取40°～50°為宜，并在滿足夾角的前提下，節(jié)點(diǎn)間隔劃分盡量取偶數(shù)，也有利于整體桁架的內(nèi)力分布[4]。下弦桿與下弦橫梁的連接通常采用的是螺栓連接，為了桁架輕量化，桁架選取的桿件翼板較薄，而下弦桿與下弦橫梁連接處會受到棧橋走道板傳來的比較大的集中荷載，為了保證下弦桿和下弦橫梁的局部剛度，下弦桿和下弦橫梁都需要加設(shè)加勁板以加強(qiáng)局部剛度。

4 結(jié)語

隨著煤礦建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，開采產(chǎn)能的不斷提高，對地面生產(chǎn)工藝的要求不斷革新，促使地面構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)難度也不斷變大。大跨度的皮帶走廊應(yīng)用也越來越頻繁，本文通過對大跨度桁架在合理布置、支架基礎(chǔ)、鋼桁架桿件、支座及局部細(xì)節(jié)等幾個方面進(jìn)行論述探討，簡單說明了棧橋設(shè)計(jì)應(yīng)用的需要考慮的內(nèi)容。后續(xù)，在設(shè)計(jì)工作中筆者還將不斷總結(jié)完善大跨度棧橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。