苏丹大跨度栈桥钢结构设计与优化.pdf

苏丹大跨度栈桥钢结构设计与优化 孙世豪 中铁第五勘察设计院集 团有限公司 北京1 0 2 6 0 0 摘要苏丹跨河栈桥为重要的临时工程结构，具有半永久性的特点，桥上安装带式输送机输送矿石，所 处环境高温、多雨、大风、地震等，是我国尚无专用设计标准的工程 ，对设计的栈桥结构进行了优化计算， 结果 表明，该处理方案取得了较好的技术经济效果，为栈桥设计提供了理论基础。 关键词大跨度栈桥；连续桁架；优化设计 中图分类号 T U 3 9 8 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 6 O 1 0 0 0 9 0 5 Ab s t r a c t T h e S u d a n l a r g e s p a n t r e s tl e i s a n i mp o r t a n t t e mp o r a r y e n g i n e e r i n g s t r u c t u r e ，w i t h s e mi p e r ma n e n t c h a r a c t e r i s t i c s ．T h e t r e s tl e i s mo u n t e d wi t h t h e b e l t c o n v e y e r f o r c o n v e y i n g t h e mi n e r a l i n a h i g h t e mp e r a t u r e，r a i n y，w i n d y a r e a w i t h e a r t h q u a k e o c c u r r e n c e ．S i n c e t h e r e i s n o s p e c i a l d e s i g n s t a n d a r d f o r t h e e n g i n e e r i n g c u r r e n t l y ，t h e p a p e r i n t r o d u c e s t he o p t i mi z a t i o n c a l c ul a t i o n for t he d e s i g n e d t r e s t l e s t ruc t ur e s ．T he r e s u l t s h o ws t ha t t he p r o g r a m b r i ng s g o o d t e c hn i c al a n d e c o n o mi c e f f e c t s ，p r o v i d i n g t h e o r e t i c f o u n d a t i o n f o r d e s i g n i n g t h e t r e s t l e ． Ke y wo r d s l a r g e - s c ale t r e s t l e ；c o n t i n u o u s t r u s s ；o p t i ma l d e s i g n 0概述 ， 苏丹跨河 输矿石栈桥结构是 冶炼厂建设 中主 要的辅助生产构筑物。根据工 程需要在栈桥上 安 装带式输送机输送矿石 和冶炼矿 渣 ，同时栈桥 上 还铺设水管和电缆。栈桥设 计高度为 1 6 ． 1 m，头 端塔架高度为 1 8 ． 5 m，尾塔用 于储存矿石 ，塔 桥 高度为 2 4 ． 5 m，跨河面均匀设置桥支柱结构，栈 桥宽度 为 4 m，其 单 胶 带 输送 矿 石 栈 桥 总 长 约 1 8 3 ． 7 m，是投资仅次于贮矿厂的又一较大型单 项 工程 ，工程 布局 如 图 1所 示。苏丹处 于地 震带 ， 根据抗震分析设计方法要求 ，设计跨河栈桥需 要 小震不坏，中震可修 ，大震不倒，根据工程要求 本钢栈桥抗震构造措施按 6度考虑。 图 1栈 桥 结 构 图 本工程钢结 构栈桥处 于相对 复杂 的环境 ，地 处 白尼 罗 河 东 岸 ，喀 什 穆 南 约 2 0 0 k m，北 纬 1 3 ． 5 O 。 和 1 4 ． 1 5 。 与东经 3 2 ． 4 0 。 和 3 2 ． 2 0 。 之间 ，平 均海拔高度为 4 2 0 m，常年处于高温地区 ，年最高 气温约 4 7℃，阳光直接照射下热反射涂层地表 的 温度可达 6 0℃ ， ． 吸热地表的温度可达 8 2℃ ，户外 起重运输机械 2 0 1 6 1 最高 日 温经常为4 5℃ ～ 5 O℃，夜间温度为 1 0 c C ～ 2 0℃ ，在设计 中需要考虑温差变化对桥面系数 的影响和破坏。相对湿度通 常非常低 ，除 了短暂 的雨季 ，偶尔达 到 5 8 ％ ～9 2 ％。同时桥面还受到 哈布风 沙漠 沙尘 暴 影 响，粉尘 中包 括糖、蔗 渣 ，偶尔有沙尘暴 ，因为常年高温多雨 ，湿度大 ， 在设计桥面时需要考虑防腐处理。 1 栈桥钢桁架结构的选型和设计优化 大跨度钢结构栈桥 常规设计 中 ，往往存 在栈 桥体系不太合理、结构形式粗笨、不甚美观以及 单位用钢量较 大等现象 ，造成部分 浪费和不协调 等问题_ l J 。这次设计 为 国外 工程 ，不仅要 考虑桥 梁质量和安全 ，同时需要 考虑外观质量 ，是 中国 设计技术 在 国外工程建设 中的应用 与推广。本次 设计采用 B S 5 9 5 0 英国钢结构设计规范 、E U R O C O D E 8 欧洲抗震规范 、 欧洲风荷载规范和 E N1 0 0 2 5 --2 0 0 4等 标准。在本工程中对栈桥结 构设计方案作 了如下优化处理 1 采用 国产优 质 高强 度、高 性能 钢板 和 型 材 ， 对于改善结构的安全性与施工性能 、控制用钢 量起到重要作用 ； 2 根据风振 系数 的计算方法 ， 解决大跨度结 构下压风致响应 问题 ； 3 根据大跨度结构温度场计算方法 ，合理确 一 9 一 定合拢温度与最大正 、负温差 ； 4 根据焊接桁架构件中板件的应力状态确定 有效宽度的方法 ， 并根据构件在拉 、压、双弯 、双 剪、扭等各种受 力状态的设 计公式确定选用合 理 的型材 ； 5 根据整体栈桥结构 的抗震计算 ，进行模态 和反应谱分析 ，确定最大变形量和安全系数 ； 6 在 S P A 2 0 0 0软件平台上对设计 的大跨度钢 结构栈桥进行优化设计计算。 1 ． 1 力学模型与桁架结构的受力分析 栈桥结构 主要包括空 间桁架 、两端桥楼结 构 和通廊结构等 ，带式输送机通常布置在桁架下 弦 平面上 ，这样栈 桥结构实际上是一个受力桁架 和 上 、下弦水平支撑组成的空间桁架体系，见图 2所 示 。桁架的纵 向承重结构采用上 承式 、两榀普 拉 特平行式钢桁架 型式 ，栈桥弦杆和支座竖杆全 部 采用对称布置， 这样可使腹杆多数为受拉构件， 受 力更趋于合理。为了简化计算 ， 上 、下弦水平支撑 桁架的杆件采用与纵向承重桁架相 同的布置方式 ， 这样可 以保证承重桁架上 、下弦在平面 内外 的计 算长度是一致的。 为了便于计算将输矿石栈桥简化为桁架 问题 ， 忽略其节点的转角约束，视腹杆为轴力杆，外荷 载和桁架 自重都转 化为节点力。在计算软件 中荷 载输入时均应乘以荷载分项系数 1 ． 2 ，自重由程序 自算 ，栈桥桁架 的上下弦平面 内 栈桥 屋面和桥 面均设置 了钢梁和水平支撑 ，形成 了空间稳 定 体系 ，由于栈桥跨度较大、位置较高 ， 为 了减少输 矿石胶带运行以及风荷载作用下 部分 的振动 ， 在栈桥内两榀桁架对应节点之 间均设置 了一道 支 撑体系见 图 2所示 。为 了方便设 计加 工 和计算 ， 本次设计 的栈桥选用 的钢材 型号 如表 1所示 ，首 先对设计 的桥进行静力分 析 ，如 图 3所示 ，在 建 模时各结构主要采用杆单元 。在两个塔架 以及 各 立柱底部采用 固结 ，结构构件连接处根据实 际情 况进行约束 ，本结 构包括立 柱、横撑 、斜撑等 钢 结构 ，钢材型号为 Q 2 3 5 ，钢材弹性模量 E2 ． 0 6 1 0 N ／ mm ，剪变模量 G7 ． 91 0 N ／ m m ，线 膨 胀 系 数 1 ． 2 1 0 ／ ℃ ，质 量 密 度 P 7 8 5 0 k g ／ m 。由于设计的栈桥地处两个山谷之 间， 在桥梁安全设计时需要考虑风 载荷 ，根据设计 手 册 计算当地 的风速 。 一 1 0 一 b 1 r__ 翕 蜷 ● ． Il 与 、 C H i } i 上 ／ I a 桥面结构图 b 支撑结构图 O 头部塔架 d 尾部塔架 图2 栈桥结构体系图 V oz 2 ．5 ㈥In ㈩ 式中V o为最大摩擦风速 ，取 1 3 ． 2 k m ／ h ；v 9 为地面高度为 9 m以上的风速 ；V B为桥最低点风 速，此处取 与 相等 ；Z为桥 梁高度 ；Z 。为 摩擦高度 ，取 0 ． 9 9 m。 根据以上风速设计风压为 ， T ， 、2 P D P B f V D Z l 2 、 B ／ 式中JP 为基本风压，设计的栈桥为桁架结构， 迎风取 2 ． 2 9 4 k P a ，背风取 1 ． 1 4 7 k P a ；V o z 为风速。 ． 根据设计 的栈桥尺寸计算出桥梁受到 的最大 风速为 7 5 ． 2 k m ／ h ，风压为 2 5 0 ． 3 P a 。同时风通过 桥面时会产生卡 门涡街现象 ，从而引起桥梁 的强 迫振动和扭转振动 ，其强迫振动频率为 ，扭转振 起重运输机械 2 0 1 6 1 a 整体结构模型 b 杆点结构模型 c 头塔支座 的反力 d 中塔支座的反力 e 尾塔支座的反力 图 3 静力荷载作用下支座的反力 表 1 选 用的钢 材型号 构件 截面形式 备注 屋顶 l O号槽钢 1 O O 4 85 8 塔架斜肢 1 0 0 L 1 O 0l 0 O6 6 塔架斜肢 1 0 o L 1 0 01 0 0 8 8 起重支柱 1 1 0 L 1 l Ol 1 0 8 8 栈桥横撑 l 2号槽钢 1 2 0 5 36 9 梯子平台框架 1 6号槽钢 1 6 06 3 71 0 栈桥上下弦 1 8号槽钢 1 8 06 8 71 1 屋顶 2 0号工 字钢 2 O 01 0 291 1 两端塔架立柱 2 0 0 H 2 0 0 2 0 0 81 2 起 吊梁 2 5号槽钢 2 5 01 1 6 81 3 中部支柱 2 9 4 H 2 9 4 2 0 0 81 2 梯子扶手等 3 8圆管 3 8 3 栈桥平肢 7 5 L 7 5 7 56 6 中部立柱肢 6 3 L 6 3 6 36 6 栈桥斜腹杆 8 0 L 8 0 8 06 6 栈桥横撑等 9 0 L 9 0 9 06 6 起重运输机械 2 0 1 6 1 动频率为． 。 ／ 3 式中S为斯脱 罗 哈数 ，根 据栈 桥 面结构取 0 ． 0 6 ；D为桥截面高度 ，取 0 ． 4 m。 根据 桥 梁 系数 计 算 出风 引 起 的振 动 频 率 为 3 ．1 3 Hz 。 ， 竿 [ r ㈩ 式 中0 为 桥 构 件 物 理 特 性 系 数，n [ 警】 ， C w 为 扭 曲 常 数 ， Ip 为 极 惯 性 矩 ， ， 为 抗 弯惯性矩，K 为模态特征值， 。 为构件物理特 性 ，取， ， I ， 为扭转常数 ，P为桥面结 构轴向拉力 ， 为构件横截面面积 ，K为有效长度 系数 ， 为构件长度。 根据选用结 构件 的技 术参数 ，查 询桥梁设 计 手册计算出扭曲频率为 1 ． 3 2 H z 。利用有限元进行 模态分析时 ，其 固有频率 为 8 ． 9 Hz ，设计 的 固有 频率避开了风振频率 。 根 据设计 规范用 S P A 2 0 0 0进行 载荷校验 时 ， 采 用 1 ． 4倍 的恒 载荷 加 上 1 ． 6倍 的活 动载 荷 和 1 ． 4倍 的风 载荷为全部载荷 ，考虑风压 为 2 5 0 ． 3 P a ，输送 带转速为 1 ． 5 m／ s ，得 出荷载 作用下头 塔 支座 的最 大反力 为 1 3 8 k N，中塔支 座 的最大 反 力 为 1 4 6 k N，尾 塔 支 座 的 最 大 反 力 为 1 4 6 k N，中部支撑桁 架 的最 大基地 反 力发 生在 靠近 头 塔的第一个支撑桁架底部 ，反 力大小约为 2 1 0 k N。分 析得 出 栈 桥 整 体 和 主 要 链 接 处 变 形 如 图 4。 在计算栈桥 各节点变 形时 ，头塔第一跨 跨 中 最大挠度为2 5 ． 1 mm；同时在进行分析时考虑风载 荷 和输送带 的动载荷 ，中部塔架相邻两跨 最大挠 度 从左到右 分别为 1 4 ． 9 mm和 1 3 ． 8 mm；尾 塔 的第一跨最大挠度为 1 9 ． 2 m m。比较可知最大挠 度变形位 于头 塔第一跨 跨 中部位 ，挠度 变形达到 2 5 ． 1 m m，挠跨比为 1 ／ 7 8 5 ，满 足桥梁设计规范规 定 的 1 ／ 6 0 0要求 。 一 1 1 c d a 整体栈桥变形 图 b 头塔变形 图 C 尾塔变形图 d 中部塔架相邻两跨变形图 图4 静力荷载作用下支座的反力 栈桥及其 中设 备的静荷 载、头部塔架静 荷载 及尾部塔架静荷载见表 2 、表 3和表 4 。 表 2 栈桥及其 中的设备静荷 载 质量／ 名称 备注 k g m‘ 。 桁架 3 4 0 ． 0 [ 1 8 a 物料 4 0 ． 7 输送带上 、下 5 0 ． 0 槽形托辊 8 8 ． 3 V形托 辊 2 1 ． 0 密封罩 6 O ． 0 管道 1 9 ． 1 8及附件 4 9 ． 1 担 1 9 ． 1 X 8管道 内水 质量 3 2 ． 4 管道 b 1 6 8 ． 3 7 ． 1 2 8 ． 2 ／ 1 6 8 ． 3 7 ． 1管道 内水质量 1 8 ． 7 管道 2 6 ． 9 2 ． 9 1 ． 7 6 2 6 ． 9 2 ． 9管道 内水质量 0 ． 3 侧板 2 5 ． 4 6 28 1 0 底 封板 4 8 ． 0 6 2 2 3 5 0 电缆、桥架灯 4 0 ． 0 暂不可 预见设备 增加 质量 1 0 ． 0 1 2 一 表 3头部塔架静荷载 名 称 质量／ k g 1 1 ． 0 0 6 m标高层 B C 1 1尾部带式输送机质量 3 0 o 0 1 3 ． 8 4 m标高层 B C 1 0带式输送机头部质量 4 0 o 0 1 7 ． 2 4 m标高梁 吊挂 电动葫芦质量 3 0 0 0 垂直拉 紧及滚筒质量 4 1 0 0 表 4 尾部塔架静荷载 名 称 质量／ k g 9 m标高层 B C 1 0尾部带式输送机质量 2 0 0 0 1 1 ． 7 5 m标高层 B C 9带式 输送 机头部质量 3 0 0 o 1 4 ． 5 5 m标高梁支承溜管质量 2 5 0 0 l 5 ． 2 0 m标高梁 吊挂 电动葫芦质量 3 0 0 0 2 桁架结构 的抗震分析 由于通过非线性 分析对大震作用 下结构进行 优化非常困难 ，因此 ，通过模拟大震进行分析 ，找 出结构中的薄弱部位 ， 并调整其应力度 ，从而提高 栈桥结构 的抗震安全性 ，防止 出现栈桥倒塌现象。 本次设计 的栈桥处于地震带频发段 ，抗震计算 中 需要考虑支承体系是否受地震影 响，钢结构是否 产生破坏和焊点疲劳 ，根据 E U R O C O D E 8 欧洲抗 震规范进行安全计算时，需要考虑水平与竖向 地震作用 时， 竖 向地震作用采用反应谱法计算 。对 于设 防烈度的地震 ，采用反应谱法计算竖向地震作 用 ，竖向地震影 响系数最 大值 取水 平地震影 响系 数最大值 的 6 5％。利用 S P A 2 0 0 0进行模态分析可 知 ，结构在 和 l ， 向的振型的参与系数在第 2 7阶 振型时才满足不小于 9 0 ％ 的要求 ，分析计算 结果 如 图 5所示 。可见结构 的第一 阶振 型表现 为沿 方 向的平动，第 二阶振型为 Y方 向摆动 ，第 三阶 振型为 方 向波动。综合结构振型分析 ，可以计 算 出结构的最大挠度值 的位 置和变形方 向，为结 构进行地震分析提供重要的依据。 在结构振型分析 时，通常采用反 应谱法 。反 应谱法通过反应谱 的概念 ，既考虑 了结构 动力特 性和地震动特性之 间的关 系 ，又充分应用 了静力 理论 ，巧妙地将 动力问题静力化 ，使得 复杂的结 构地震作用及其效应 的计算 变得简单易行 ，现被 多国抗震规范推荐使用 ，反应谱法应用结 构总响 应是各振型 响应叠加 的原 理。反应谱法首 先根据 地震波时程记 录构造反应谱 ，再依据反应 谱计算 起重运输机械 2 0 1 6 1 b c a 一节模态 变形 图 b 二节模态 变形 图 c 三节模态变形 图 图5 栈桥结构模态变形图 结构各 阶振 型的最大响应 ，然后通过 一定 的模态 合并算法计 算总的最大响应。对 于本 次设计 的结 构为不规则 且具有 明显薄弱部位 的结 构，采用 时 程分析法做补充计算。其计算结果如图6所示 b 一一 d a X向反应谱分析整体变形图 b X向反应谱分析整体应力图 c Y向反应谱分析整体变形图 d Y向反应谱分析整体应力图 图 6 、Y向反应谱应变与应力 图 从图 6看 出，x向反应谱分析整体变形 图中， 结构 最 大 的侧 向位 移在 尾 部 往里 第 一 跨 处 ，为 l 4 ． 7 5 m m；Y向结构最 大 的侧 向位移在 中部，为 l 7 ． 7 8 m m，侧移 比还 不到 1 ／ 1 1 5 0，满 足规范要 求。在应力图中， 向反应谱分析整体结构应力较 大的位置发生在首 、尾塔架 和桁 架连接处 ，最大 应力发生在尾塔的搭接处 ，达到 1 2 5 MP a ；Y向反 起重运输机械 2 0 1 6 1 应谱分析 整体结构应力较 大的位置发生在距离尾 塔第一个桁架的底端 ，最大应力达到 1 1 6 MP a ，满 足 Q 2 3 5强度设计要求。通过 以上分析 ，设计强度 满足安全要求 。 3 结论 鉴于本工程 中输 煤带式输送机布 置在下弦平 面内，在该平面 内布置了 C 1 8 0纵梁和 L 8 0横梁以 及 L 8 0斜支撑 ，有效提高 了下弦平面的整体 刚度 。 根据栈桥结构的实际使用情况分别布置的屋面、 桥面 ， 考虑了桥面走道板与钢横梁作为整体共 同工 作 ， 符合实际结构的工作状态 ，采用三维空间计算 软件对工程结构进行整体分析 ， 确保了栈桥结构设 计的安全性 、适 用性 、经济 性和合理性 。考 虑栈 桥地处环境 ，进行风载荷计算 和有限元分析 ，设 计强度满足工程需要。 优化后的大跨度输矿石栈桥 ， 不仅满足了功能 要求 ，也节约了投资成本 、缩短 了施工周期 、节省 了社会资源 。选用 了优化 的设计方案 和采用 国外 标准 ，对同类工程具有一定的参考借鉴作用。 参考文献 [ 1 ]李学民，伍军 ，付香才．杭州湾跨海大桥南岸超长栈 桥设计 [ J ] ．铁道标准设计 ，2 0 0 4 1 o 1 4 ． [ 2 ]G 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