特宽型钢结构输煤栈桥的设计.pdf

第4 6 卷 第4 期 2 0 1 4 年 第4 期 煤炭工程 C0AL ENGI NEERI NG Vo 1 ． 4 6． No ． 4 No ． 4，2 01 4 d o i 1 0．1 l 7 9 9 ／c e 2 01 4 0 4 00 9 特宽型钢 结构输煤栈桥 的设计 朱碉莉，王德锋，王朝霞 中煤西安设计T程有限责任公司，陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要中煤陕西榆横煤化工项 目5 钢结构输煤栈桥 ，宽度远 大于一般 的输煤栈桥。对 于 特宽型铜结构输煤栈桥 ，在风荷载作用下容 易发生整体扭曲破坏 ，文章通过平面模型及空间模型 两种计算模型的对比分析 ，总结了其设计方法。即运用平面简化计算以及通过构造上加强 ，如栈 桥 中间增加抗风 门式刚架、水平横 梁和桁 架竖杆之 间加 隅撑等 方法，使设计达 到安全可靠的 目的。 关键词特宽输煤栈桥 ；钢结构 ；平面模型 ；空间模型 中图分类号 T D 3 1 8 文献标识码B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 4 0 4 - 0 0 2 6 ． 0 3 De s i g n o n Co a l Tr a ns po r t a t i o n Tr e s t l e Br i d g e wi t h S pe c i a l W i de S t e e l S t r u c t ur e ZHU Yu el i ， WANG Def e ng，W ANG Cha ox i a C h i n a C o a l X i a n D e s i g n E n g i n e e r i n g C o m p a n y L i m i t e d ，X i a n 7 1 0 0 5 4，C h i n a Ab s t r a c t T h e s t e e l s t r u c t u r e c o a l t r a n s p o r t a t i o n t r e s t l e b r i d g e h a d a w i d t h o f 1 1 ． 3 m i n a x i a l l i n e a n d t h e w i d t h w a s l a e r t h a n t h e g e n e r a l c o a l t r a n s p o r t a t i o n t r e s t l e b r i d g e ． T h e s p e c i a l w i d e t y p e s t e e l s t r u c t u r e c o a l t r a n s p o rta t i o n t r e s t l e b r i d g e w i t h a l o w l a t e r a l ri g i d i t y w o u l d a i n t e g r a t e d t o r s i o n a l f a i l u r e e a s i l y o c c u r r e d u n d e r t h e r o l e o f t h e w i n d l o a d ． T h e p a p e r s u mma ri z e d t h e d e s i g n me t h o d w i t h t h e c o mp a r i s o n a n a l y s i s o n t h e p l a n e mo d e l a n d t h e s p a c e mo d e 1 ． W i t h a p l a n e s i mp l i f i e d c a l c u l a t i o n a n d t h e e n h a n c e d s t r u c t u r e ． i n c l u d i n g t h e w i n dr e s i s t a n t d o o r t y p e ri g i d f r a me b u i l t i n t h e mi d d l e o f t h e b r i d g e ， a k n e e b r a c i n g b e t w e e n t h e h o r i z o n t a l c r o s s b e a m a n d t h e t rus s v e r t i c a l b a r ，t h e d e s i g n c o u l d r e a c h t h e s a f e t y a n d r e l i a b l e t a r g e t ． Ke y wo r d s s p e c i a l wi d e c o a l t r a n s p o rt a t i o n t r e s t l e b r i d g e ； s t e e l s t r u c t u r e ； p l a n e mo d e l ； s p a c e mo d e l 1工程概 况 在煤化工项目中，卸储煤系统栈桥输运是该辅助生产 系统中主要的构筑物之一。5 卸储煤输煤栈桥，栈桥总长 2 0 0 m左右，轴线宽度 1 1 ． 3 m，坡度 8 ． 5 。 ，采用钢桁架及钢 支架 的结构形 式 ，主体构 件有上 弦梁 、下 弦梁 、上下 弦之 间的腹杆、桁架端头的门式刚架、上下弦支撑、走道板及 围护结构等。本地区抗震设防烈度 6度；基本风压 0 ． 4 0 k N ／ m ，地面粗糙度 B类；基本雪压 0 ． 2 5 k N ／ m 。该工程特点 是运量大 ，宽度远大于一般 的输煤栈桥 。 传统设计方法采用 P K P M系列软件的 S T S钢结构软件 对栈桥的桁架体系、门式刚架体系分别进行平面结构分析 设计。而该栈桥相对于普通栈桥而言，最大的区别在于横 向刚度较小 ，在风荷载作用下容易发生整体扭曲变形。笔 者又通过 MI D A S有限元计算软件对桁架采用空间模型进行 26 了空间分析计算。本文就以上两种计算模型的对比分析， 总结了特宽型钢结构输煤栈桥设计中的计算及构造措施。 2 结构布置与设计 栈桥设计中，往往存在栈桥体系布置不合理，如上下 弦支撑体系、跨问结构体系、支撑结构体系等，造成工程 造价过高，还有甚者存在不安全隐患，存在栈桥结构整体 受力不明确，不符合国家标准强制性条文的规定等问题。 因此，本文结合丁程实例 ，对 比总结栈桥结构设计的一些 体会，与同行共勉。 2 ． 1 栈桥 的纵 向布 置 栈桥的纵向布置要考虑的因素有①煤化工项 目总平 面布置很复杂，地面上场区道路及管道支架纵横交错，地 面下管道较多，因此布置栈桥支架时应考虑不与道路、管 道、支架及其基础相碰；②栈桥高度取跨度的 1 ／ 8～1 ／ 1 2 ， 收稿 日期 2 0 1 3 0 62 6 作者简介朱珥莉 1 9 8 2一 ，女，山西芮城人 ，高级工程师，一级注册结构工程师，现从事结构设计及研究工作 ， E ma i l 4 9 4 5 4 4 4 3 2 q q ． c o n。 引用格式朱珥莉，王德锋，等．特宽型钢结构输煤栈桥的设计 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 4 ，4 6 4 2 62 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第4 期 煤炭工程 布置时尽量使栈桥各跨的跨度相当，以使各跨栈桥高度相 同；③每个抗震单元设一个四柱，既能保证栈桥沿纵 向的 刚度 ，又不致吸引过多的地震力。④按照规范的防火要求， 在栈桥 里任一点 到安全 口的距 离不超 过 7 5 m，故 栈 桥 四 柱应结合楼梯间布置 。 2 ． 2钢桁 架设 计 栈桥两侧桁架的设计，笔者选择以下几种布置方式进行 对比。桁架布置方式如图 1 所示。 a 和 b 、 e 的区别主 要在于桁架竖腹杆没有垂直于上下弦杆，而是垂直于地面。 图 1 桁架布置方式 a 方式有三个缺点 ①竖腹杆长度较其他两种布置方 式长，长细比大，需要选择的杆件断面会大些；②斜腹杆长 度长短不一，杆件选择也会大小不一 ，给施工采购带来不 便 ；③同时，因为角度不同引起的内力变化，多数腹杆的内 力比其他两种方式偏大。所以，先放弃采用 a 的布置方式。 b 和 c 布置方式的比较① b 布置整个桁架中轴 基本居中，上下弦杆受力相当， c 布置方式时整个桁架中 和轴偏下，上弦、下弦杆件受力相差较大，设计时可区别 对待；② b 布置方式斜腹杆有拉杆也有压杆， c 布置方 式时除支座处外斜腹杆均为拉杆，故用 c 布置方式时斜腹 杆规格要小些，省材料。经综合对比后确定用 c 的方式布 置桁 架。 2 ． 3上 、下 弦设计 上、下弦水平支撑用来承受桁架横 向荷载，并保持栈 桥的空间稳定及 刚度，在特宽型栈桥中的作用尤为重要。 上、下弦水平支撑体系的弦杆由两侧竖向桁架的上、下弦 杆承担，上、下弦水平支撑腹杆的布置结合两侧竖 向桁架 的节间布置，同时斜腹杆与弦杆及竖腹杆的夹角在 3 5 。～ 5 5 。 间较合 理 ’ 。 2 ． 3 ． 1 上 弦设计 上弦水平支撑主要承担垂直于栈桥方向 横向 的风荷 载 ，其布置方式同门式刚架房屋屋面，在屋面一周布置 X 形纵横向支撑；同时为了增加栈桥整体刚度，又在 中间增 加 2道横向支撑，如图2所示。 2 ． 3 ． 2 下 弦设 计 桁架下弦承担的荷载有楼面恒荷载和活荷载，较上弦 点 图 2 上 弦水 平支撑的布置 承担荷载大得多；而该工程布置的轻钢骨架板仅能沿栈桥 长度方向布置，对增加栈桥整体刚度的作用不明显，这就 使得两榀桁架空间协 同工作较差。故下弦水平支撑除了承 担垂直于栈桥方向的 横向 风荷载外，还必须增加栈桥的 整体刚度作用 ，故该工程采用满布 X形纵横向支撑的形式， 如图 3所示 。 X B 点 图 3下弦水 平支撑的布置 2 ． 4水平 系杆的设置 连接两榀竖向桁架的上下两个平面，除布置上、下弦 水平支撑外，还在每个节间设置水平系杆，以保证其沿纵 向的整体性，该工程采用钢管作为系杆。 2 ． 5 抗 风 门式 刚 架的设 计 抗 风门式刚架 布置在 栈桥 两端 ，承担 整个栈 桥一 半 的 风荷载以及端头半个节间的竖向荷载。栈桥两端的抗风门 式刚架是上、下弦水平支撑的支点。上、下弦水平支撑将 栈桥的水平力通过栈桥两端的抗风门式刚架传向支座，它 能保证栈桥在横向的刚度和稳定。所以，门式刚架的梁柱 的连接必须保证为刚接。同时 ，两端门架的柱子必须垂直 于地面，从而使斜栈桥承重桁架在重力作用下不产生水平 滑移 。 2 ． 6 横 向结构体 系设 计及 构 造 该工程除在栈桥两端布置抗风门式刚架外，结合工程 栈桥宽度特宽的特点，在构造上特意加强整个栈桥的整体 性 ，即每两个节间设一个抗风门式刚架，以承担这两个节 间的风荷载。同时，抗风门式刚架的竖杆和横梁的角部加 隅撑 ，从构造上保证了它们的刚接，如图4所示。 图 4 抗风 门式刚架 2 ． 7 桁 架支座的设计 滚动、滑动及铰支座 桁架支座分为可动支座和铰支座，而可动支座又有滚 动支座和滑动支座两种。因为该工程跨度大 3 6 m ，栈桥 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 4年第4期 也比较高 4 0 m左右 ，不适宜采用滑动支座，故每个栈桥 采用一端滚动、一端铰支的布置形式。桁架作为跨间结构， 作用在其上的地震力 尤其是水平地震力 和温度应力会通 过铰支座传给栈桥的支承结构。假设桁架两端的作用力是 一 样大的，则该力作用在低处对支承栈桥的支架及其基础 的影响较小，故一般铰支座设在栈桥的下端；同理，铰支 座应设 在支承结 构 刚度大 的一端 ，另 一端采用 滚动 支座 以 释放钢桁架的变形和水平 地震 力。 3桁架 受力分 析 下面通过两种方式对桁架进行计算，并对计算结果进 行 比较 。 3 ． 1 平面模型计算 传统钢结构栈桥的计算拆分为平面结构体系，由侧面 两个垂直平面桁架承受由栈桥顶板和底板传来的竖向荷载， 端头支座处各设置一个门式刚架承受侧面两个垂直平面桁 架的竖向荷载、水平荷载及风荷载。上、下弦支撑分成 2 个桁架分别计算，承担垂直于栈桥长度方向的风荷载，如 图 5所示 。 C 点 铰支座 滚动 支座 图 5 单榀竖 向桁架 mm 3 ． 2空间模型计算 采用线单元模拟栈桥 中的各个杆件。模型由侧面两榀 桁架 、端部两个 门式 刚架 、中问抗风 门式 刚架 、上 下两 榀 水平支撑桁架以及隅撑组成，把所有竖向荷载、水平荷载 及风荷载 同时加在栈桥上 。 3 ． 3 两种模型的计算结果比较 对于以上两种计算模型的结果进行对比见表 1 。 表 1 竖向桁架杆件强度应力 比 设计值 通过表 1 对 比发现 1 竖向桁架杆件强度应力比部分上弦杆、斜腹杆用 M I D A S计算结果 比S T S计算结果较大一些，部分下弦杆用 S T S 计算结果比 M I D A S计算结果较大一些。这是因为空间 计算模型考虑了空间协同作用，栈桥的整体刚度较简化为 竖向单榀桁架时有所提高。由于上下弦水平支撑布置的不 同，导致结构体系的中和轴发生了变化，引起杆件内力整 体发生了调整。总之，用两种模型计算出的强度应力比均 比较理想 ，控制在这个范围内是比较兼顾经济和安全的。 2 竖向桁架在恒 活荷载下挠度用两种模型计算相差 不多，均在 1 ／ 6 0 0左右 ，符合规范规定的挠度容许值 跨度 的 1 ／ 4 0 0 要求。 3 在水平风荷载作用下的位移计算用 S T S计算时， 简化将一半跨度的风荷载作用在两端门式刚架上，计算出的 门式刚架柱顶位移为2 1 ． 3 m m，约为高度的1 ／ 1 8 3 ，满足规范 规定的 1 ／ 1 5 0高度的要求，这是比较保守的计算方法。而 MI D A S计算时考虑栈桥的整体协调作用，最大位移发生在跨 中，层间相对位移为 1 9 ． 2 3 41 3 ． 6 5 8 5 ． 5 7 6 IT I I T I ，约为高 度的 1 ／ 5 9 2 ；最大绝对变形在 A点，变形值为 1 9 ． 3 1 2 m m，为 跨度的 1 ／ 1 8 7 2 ，可见风荷载下位移是比较小的。通过比较证 明了用单榀桁架简化计算以及构造上加强的方法可以满足T 程安全度的要求，是有效可行的设计方法。 4结语 对于特宽型栈桥的设计应注意以下几点 ①横向结构 2 8 体系构造上要加强，如在栈桥中间增加抗风 门式刚架，水 平横梁和桁架竖杆之间加隅撑等；②不设下承式拉杆有利 于工程施_T和减少 工程造 价 ，一般 栈桥 的施工 是在 工厂加 、地面拼装，然后再整体吊装，而设下承式拉杆的栈桥， 只能是整体吊装以后在空中进行连接作业，这增加了施工 难度，同时施． T 二 质量也不好保障；③桁架矢高适 当增加对 结构体系有利，桁架矢高增加在构造上使栈桥两个方 向刚 度相差减小 ，同时 可减小构 件 断面 ，以达 到经 济安全 的 目 的，本工程设计时因为一些客观原因，矢高偏小，如果矢 高能够再加大一些会更合理 ；④下弦水平横梁可设置成小 桁架形式，以降低造价，每根下弦水平横梁采用小桁架形 式时的用钢量不到 H型钢的 2 ／ 3 ，而且设置成小桁架形式 也相当于是对栈桥横向的刚度增强，结构体系更为合理。 参考文献 [ 1 ] G B 5 0 5 9 2 2 0 1 0 ，矿井建筑结构设计规范 [ S ] ． [ 2 ] G B 5 0 5 8 3 2 0 1 0 ，选煤厂建筑结构设计规 范 [ S ] ． [ 3 ] 祝黎．某钢 结构输 煤栈桥 的空 间计 算 [ J ] ．武 汉大学 学 报 工学版 ，2 0 1 0 ，4 3 Z 1 1 81 2 0 ． [ 4] 金松．钢栈 桥空 间结构分 析设计 [ J ] ．煤炭 工程 ，2 0 1 2 1 0 7 27 4 ． [ 5] 李 玉兰 ，杨军．钢结 构栈 桥设计 中 的一点体 会 [ J ] ．煤 炭工程 ，2 0 0 5 9 1 51 6 ． [ 6] GB 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ，钢结构设计规范 [ S ] ． 责任编辑赵巧芝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m