淺談鋼鐵企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)通廊的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要領(lǐng)

摘 要：結(jié)合當(dāng)前國(guó)家環(huán)保政策及低碳節(jié)能要求，闡述了鋼結(jié)構(gòu)通廊在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)關(guān)注的問(wèn)題，總結(jié)了減小通廊用鋼量的主要技術(shù)措施。對(duì)照新近實(shí)施的《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》（GB 55001-2021），分析了鋼結(jié)構(gòu)通廊計(jì)算過(guò)程中的注意事項(xiàng)；通過(guò)對(duì)通廊鋼桁架桿件在不同布置方式下的用鋼量對(duì)比，給出了較為理想的構(gòu)件布置方案。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)通廊；用鋼量；密閉；節(jié)點(diǎn)構(gòu)造文章編號(hào)：2095-4085（2024）06-0100-03

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)鋼鐵企業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)能日益提高。這一方面滿足了人民對(duì)物質(zhì)文化生活的需求，但同時(shí)也帶來(lái)了諸如環(huán)境惡化、產(chǎn)能過(guò)剩等嚴(yán)重問(wèn)題。為此國(guó)家制定了嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)政策，并要求各行各業(yè)必須認(rèn)真貫徹和執(zhí)行。尤其是在2020年9月22日中國(guó)政府向全世界莊嚴(yán)許下碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)以后，綠色規(guī)劃、綠色設(shè)計(jì)、綠色投資、綠色建設(shè)的理念被提升到前所未有的高度。這對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，不僅要滿足安全性和使用性要求，同時(shí)也要滿足低碳和環(huán)保要求。

1 鋼結(jié)構(gòu)通廊的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式

與汽車(chē)、鐵路等傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式相比，鋼結(jié)構(gòu)通廊具有以下特點(diǎn)：運(yùn)行可靠鋼結(jié)構(gòu)通廊運(yùn)輸受人員、時(shí)間等限制較少，一般可保證連續(xù)工作，穩(wěn)定運(yùn)輸。成本低傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式，需要大量的汽車(chē)、火車(chē)，容易造成交通運(yùn)輸?shù)膿矶?。皮帶通廊一般使用壽命長(zhǎng)，做到一次投資，長(zhǎng)效使用。環(huán)保汽車(chē)、火車(chē)運(yùn)輸需要消耗大量的化石能源，對(duì)環(huán)境造成污染［1］。皮帶通廊封閉嚴(yán)實(shí)，僅需消耗電能，對(duì)周邊環(huán)境污染較小。

2 結(jié)構(gòu)形式

鋼結(jié)構(gòu)通廊結(jié)構(gòu)主要通常設(shè)計(jì)中采用兩種形式：梁式通廊和桁架式通廊。梁式通廊以鋼梁作為通廊的主要受力構(gòu)件、梁上設(shè)門(mén)式鋼架構(gòu)形成通廊骨架。梁式通廊一般跨度較?。ㄒ话悴淮笥?m），布置靈活度低，用鋼量大。一般大宗原燃料皮帶運(yùn)輸具有運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、廠區(qū)地形復(fù)雜，往往需要通廊跨越道路、管道、建筑物等特點(diǎn)，要求通廊跨度大、布置靈活、成本低等，所以一般鋼鐵企業(yè)使用較少［2］。桁架式通廊采用空間鋼結(jié)構(gòu)桁架和鋼結(jié)構(gòu)支架作為骨架，壓型彩色鋼板作為封閉材料，需要保溫時(shí)，封閉材料選用金屬面硬質(zhì)聚氨酯夾芯板封閉。桁架式通廊跨度大，重量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在鋼鐵企業(yè)被廣泛使用。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 通廊荷載的取值

鋼結(jié)構(gòu)通廊荷載主要恒荷載和活荷載兩部分組成。恒載主要有：皮帶機(jī)、通廊兩側(cè)垂直桁架鋼結(jié)構(gòu)、通廊上部水平桁架鋼結(jié)構(gòu)、屋面斜坡鋼結(jié)構(gòu)、走道鋼結(jié)構(gòu)、封閉用檁條、壓型鋼板、窗戶、通風(fēng)設(shè)施及其他專(zhuān)業(yè)要求設(shè)置的電纜、管道等設(shè)施重量；活荷載一般包括：皮帶運(yùn)輸物料荷載、屋面活荷載（一般按不上人屋面計(jì)算）、屋面積灰荷載、走道活荷載、風(fēng)荷載、地震荷載等。在桁架計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)通廊實(shí)際受荷情況，根據(jù)荷載加載位置，分別將屋面荷載、走道荷載設(shè)置于桁架的上部節(jié)點(diǎn)和下部節(jié)點(diǎn)。在計(jì)算通廊支架的水平荷載時(shí)，不考慮垂直活載對(duì)支架的影響，即按支架最不利因素考慮。

根據(jù)《鋼鐵企業(yè)膠帶機(jī)鋼結(jié)構(gòu)通廊設(shè)計(jì)規(guī)范》（YB4358-2013）的規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)通廊承受的荷載主要包括工藝荷載、通廊自重、電纜和管道荷載、風(fēng)荷載、積雪荷載、積灰荷載、均布活荷載、溫度作用、地震力等。對(duì)于正常的廊身來(lái)說(shuō)，積雪荷載按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）取值。但當(dāng)廊身與建（構(gòu)）筑物相連形成陰角時(shí)，應(yīng)按規(guī)范要求考慮積雪的不均勻堆積。其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)、上弦橫梁按積雪不均勻分布最不利工況計(jì)算；縱向桁架按全跨均勻、不均勻分布、半跨均勻分布三種工況分別計(jì)算［3］。通廊的風(fēng)荷載可以按照荷載規(guī)范來(lái)計(jì)算，即ωk=βZμsμzω0。其中風(fēng)荷載體型系數(shù)μs按照《鋼鐵企業(yè)膠帶機(jī)鋼結(jié)構(gòu)通廊設(shè)計(jì)規(guī)范》（YB 4358-2013）附錄之要求取1.7。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)通廊高度較小時(shí)往往不考慮風(fēng)振系數(shù)βZ。但在國(guó)家住建部新發(fā)布的《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》（GB55001-2021）中， 第4.6.1條已經(jīng)明確指出：垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)在基本風(fēng)壓、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)荷載體型系數(shù)、地形修正系數(shù)和風(fēng)向影響系數(shù)的乘積基礎(chǔ)上，考慮風(fēng)荷載脈動(dòng)的增大效應(yīng)加以確定。其中，主受力結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)按荷載規(guī)范確定，但不應(yīng)小于1.2；圍護(hù)結(jié)構(gòu)的放大系數(shù)不應(yīng)小于1+，式中μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)。通過(guò)對(duì)比隨機(jī)振動(dòng)理論和荷載規(guī)范提供的風(fēng)振系數(shù)法兩種計(jì)算方法得出的結(jié)果，可得到以下結(jié)論：隨著通廊支架高度的增加，風(fēng)振系數(shù)逐漸變大（見(jiàn)表1），但當(dāng)支架高度為20～40m時(shí)，通廊廊身風(fēng)振系數(shù)變化幅度不大，但支架的風(fēng)振系數(shù)變化很明顯；B類(lèi)地貌下，當(dāng)支架高度大于30m時(shí)，采用隨機(jī)振動(dòng)理論和風(fēng)振系數(shù)法計(jì)算得到的支架風(fēng)振系數(shù)接近，由于支架迎風(fēng)面積較小，對(duì)設(shè)計(jì)影響有限，故工程設(shè)計(jì)時(shí)可偏于保守考慮，按荷載規(guī)范確定風(fēng)振系數(shù)。綜合考慮，封閉通廊桁架計(jì)算時(shí)采用的μz可以取1.2～1.3；支架計(jì)算時(shí)的μz按荷載規(guī)范計(jì)算取值，以下給出參考值（僅作用于支架的迎風(fēng)面上）。

桁架計(jì)算必須考慮橫向風(fēng)對(duì)桁架上、下弦桿的影響。在左風(fēng)影響下廊身受到水平向右的推力，平均分配到上下弦桿上。該推力在桁架弦桿上產(chǎn)生的橫向彎矩為W=18ωkh2I2。式中：ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，h為通廊迎風(fēng)面高度，l為通廊跨度。該彎矩對(duì)上下弦所在水平面內(nèi)的弦桿1和弦桿2均產(chǎn)生了一壓一拉的效果，兩個(gè)力大小相同，方向相反，因而構(gòu)成一對(duì)力臂為b的力偶，其大小等于風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平向彎矩。因此可得出通廊弦桿受到的軸向力Fw=81ωkh2I2b。當(dāng)對(duì)桁架建模計(jì)算時(shí)，該軸向力應(yīng)加在弦桿的兩端，當(dāng)或通廊地處冬夏溫差很大的內(nèi)陸地區(qū)時(shí)，需要考慮通廊的溫度荷載。溫度荷載只在計(jì)算通廊支架時(shí)考慮。根據(jù)規(guī)范要求：縱向水平推力Pf=3EIΔL/H3，通廊支座處熱膨脹值ΔL=KtLjαΔt。其中Kt為保溫系數(shù)，對(duì)封閉通廊來(lái)說(shuō)取0.6；Δt為通廊安裝合攏時(shí)室外溫度與環(huán)境極限溫度的溫差；Lj為溫度區(qū)段內(nèi)變形約束中心點(diǎn)至計(jì)算支座間廊身水平投影長(zhǎng)度；α為鋼材線膨脹系數(shù)。鋼結(jié)構(gòu)通廊的計(jì)算包括桁架和支架兩部分，都是非常簡(jiǎn)單的計(jì)算模型。在當(dāng)前計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)日臻完善的情況下，只要荷載考慮清楚，結(jié)構(gòu)也就很明確了。

3.2 通廊的結(jié)構(gòu)布置

膠帶機(jī)是冶金、煤炭、水泥等行業(yè)重要的轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，作為其載體的通廊在上述行業(yè)的工廠里得到了普遍應(yīng)用。很多超長(zhǎng)超高通廊甚至成為工廠的地標(biāo)。普通的膠帶機(jī)通廊跨度大于18m時(shí)往往采用鋼結(jié)構(gòu)，特別是采用兩榀豎直桁架并用支撐將其上、下弦連接成空間結(jié)構(gòu)的通廊更具有明顯的優(yōu)勢(shì)。憑借自重小、抗震性能好、加工制作方便和安裝快捷等特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)通廊逐漸成為通廊主要形式。按照國(guó)家環(huán)保政策要求，通廊均應(yīng)采用封閉式結(jié)構(gòu)。通廊的結(jié)構(gòu)劃分應(yīng)當(dāng)在規(guī)范許可的范圍內(nèi)，根據(jù)工藝需要和建設(shè)場(chǎng)地內(nèi)的總圖布置情況綜合考慮。通廊支架作為廊身的主要支承結(jié)構(gòu)可以分為單片支架和雙片固定支架，其設(shè)置應(yīng)根據(jù)通廊相連建（構(gòu)）筑物的距離以及溫度區(qū)段來(lái)確定［4］。設(shè)置單片支架的主要目的是合理劃分通廊跨度和傳遞廊身橫向、豎向荷載；除此之外，設(shè)置固定支架的另外一個(gè)主要目的是保證通廊及其支架和相鄰建（構(gòu)）筑物能夠共同形成完整的縱向穩(wěn)定體系和抗震體系。以此傳遞縱向力。對(duì)于封閉通廊來(lái)說(shuō)，一個(gè)溫度區(qū)段最長(zhǎng)可取180m。因此當(dāng)廊身長(zhǎng)度不超過(guò)180m，且一端固定于建（構(gòu)）筑物上時(shí)，可以只設(shè)單片支架；廊身超過(guò)180m時(shí)，按每180m設(shè)置1～2個(gè)固定支架為宜。兩個(gè)溫度區(qū)段之間設(shè)置變形縫，縫寬不小于105mm。當(dāng)廊身與建（構(gòu)）筑物之間設(shè)置變形縫時(shí)，通廊端部支座應(yīng)設(shè)在柱子外側(cè)牛腿或附加梁上，不宜伸到建（構(gòu)）筑物里面；當(dāng)有坡度的通廊在固定支架上設(shè)變形縫時(shí)，應(yīng)當(dāng)在下端一側(cè)采用滾動(dòng)（滑動(dòng)）支座，上端一側(cè)采用固定鉸支座。

3.3 控制用鋼量的主要措施

國(guó)家提出雙碳目標(biāo)以后，綠色設(shè)計(jì)被提升到前所未有的高度。在工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中貫徹低碳、節(jié)能的設(shè)計(jì)理念，其核心思路在于保證相同安全度及使用性的前提下，盡量降低工程造價(jià)，減少投資。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)通廊來(lái)說(shuō)主要是降低用鋼量。根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)支架間距在20～30m之間時(shí)，通廊整體造價(jià)最為經(jīng)濟(jì)。此時(shí)，廊身桁架尺寸和構(gòu)件大小與通廊支架和基礎(chǔ)的數(shù)量取得平衡。所以在進(jìn)行長(zhǎng)距離通廊結(jié)構(gòu)劃分時(shí)，盡量選擇24～25m桁架跨度可以節(jié)省鋼材用量。當(dāng)廊身較高或基礎(chǔ)采用樁基時(shí)，跨度應(yīng)適當(dāng)加大，最佳方案根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比確定?？刂畦旒苡娩摿康闹饕胧┯袃牲c(diǎn)：方法一是讓受壓桿件強(qiáng)度應(yīng)力和穩(wěn)定應(yīng)力二者同時(shí)接近限值，避免出現(xiàn)一大一小；方法二是減少壓桿的數(shù)量或長(zhǎng)度。對(duì)于方法一來(lái)說(shuō)，應(yīng)對(duì)策略即為：桁架壓桿盡量選用熱軋寬翼緣H型鋼或雙拼格構(gòu)式構(gòu)件。而拉桿不受此限制。通廊桁架腹桿常用的布置方式有人字形和混合式。根據(jù)相同荷載工況下相同跨度桁架的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果。其中負(fù)值為壓桿，正值為拉桿。相比于拉桿，由于壓桿有穩(wěn)定性要求，且長(zhǎng)細(xì)比限值比拉桿小一倍，設(shè)計(jì)截面可能會(huì)比拉桿大很多。因此通過(guò)改變腹桿布置方式，減少壓桿的數(shù)量或長(zhǎng)度，讓更多桿件變成拉桿，可以在一定程度上降低用鋼量。桁架上下弦桿的應(yīng)力值相差不大，考慮構(gòu)造要求，相同部位可以采用相同截面構(gòu)件，因此省鋼的關(guān)鍵即為減小腹桿用鋼量。由于斜腹桿的長(zhǎng)度和應(yīng)力值都比垂直腹桿大許多，而第三種布置方式可以讓更多的斜腹值變成拉桿，為最省鋼的一種布置方式。通廊的走道面?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)為桁架式，即在下弦橫梁之間打上交叉支撐，使其與豎向桁架的下弦桿構(gòu)成一個(gè)水平桁架。鑒于走道面滿鋪花紋鋼板以后，可以認(rèn)為其平面剛度無(wú)限大，可以有效約束豎向桁架下弦桿的平面外穩(wěn)定，且有很好的抗變形能力，因此如果從省鋼的目的出發(fā)，可以在保證鋼板與下弦桿、下弦橫梁、膠帶機(jī)支承梁連續(xù)滿焊的情況下，省掉水平支撐桿［5］。通廊走道面為滿鋪的花紋鋼板。對(duì)于膠帶機(jī)正下方區(qū)域，因?yàn)闊o(wú)需走人，當(dāng)積灰荷載較小或可以忽略時(shí)，此區(qū)域的板底加勁肋可以取消。通廊的上弦水平支撐通常情況下由長(zhǎng)細(xì)比控制。但當(dāng)通廊跨度較大時(shí)，端部支撐桿件的應(yīng)力比可能超限。此時(shí)需要對(duì)上弦水平桁架進(jìn)行建模計(jì)算，其所受荷載為廊身迎風(fēng)面水平風(fēng)荷載的一半。

3.4 新環(huán)保政策下封閉式通廊節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造要求

國(guó)家環(huán)境保護(hù)部于2012年10月29日和2014年04月25日分別印發(fā)了《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》、 《關(guān)于在化解產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩中加強(qiáng)環(huán)保管理的通知》。把環(huán)保的地位擺到了發(fā)展之前。針對(duì)鋼鐵企業(yè)的原料工序，做到“廠內(nèi)鐵精礦、煤、焦炭等大宗物料應(yīng)采取封閉式皮帶運(yùn)輸”。根據(jù)該條要求，封閉式通廊的密閉性成了環(huán)保部分對(duì)鋼鐵企業(yè)環(huán)保狀況檢查的重要內(nèi)容。因此，最近幾年來(lái)許多鋼鐵企業(yè)都對(duì)現(xiàn)有的半封閉式、敞開(kāi)式通廊進(jìn)行了密閉改造。對(duì)于新建鋼結(jié)構(gòu)通廊來(lái)說(shuō)，在節(jié)點(diǎn)的處理上理所當(dāng)然要做到密閉要求。通?？蓪?duì)墻板與走道面、屋面板連接的地方作處理。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集的做法，墻板與屋面板相交的位置采用拉鉚釘連接，但密閉性和耐久性不好，采用增加包邊彩板的方式處理，可大大提高通廊的密閉性。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家低碳、環(huán)保政策的推行，以及結(jié)構(gòu)行業(yè)新國(guó)標(biāo)的出臺(tái)，鋼結(jié)構(gòu)通廊的設(shè)計(jì)迎來(lái)許多新的變化。鋼結(jié)構(gòu)通廊的設(shè)計(jì)工作必須緊扣當(dāng)前政策和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，做到與時(shí)俱進(jìn)，不斷創(chuàng)新，才能滿足鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)和國(guó)家發(fā)展的要求。

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