付裕

(濟鋼集團國際工程技術(shù)有限公司,山東濟南 250101)

鋼結(jié)構(gòu)桁架式通廊設(shè)計及優(yōu)化

付裕

(濟鋼集團國際工程技術(shù)有限公司,山東濟南 250101)

論述了通廊的組成、傳力途徑、單元劃分及跨度確定;對組成通廊的桁架進行受力分析、計算,在構(gòu)件選擇及布置上進行優(yōu)化比較,總結(jié)出經(jīng)濟做法。

鋼結(jié)構(gòu) 通廊 桁架 設(shè)計優(yōu)化

1 某工程皮帶通廊大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架設(shè)計

1.1 通廊概況介紹

該通廊承擔著從該工程燒結(jié)室到濟鋼4號大高爐之間的成品燒結(jié)礦運輸工作。平面總長度為686m，屬于單層單皮帶通廊，走道板距地面高度為6.5m～17.5m，通廊寬度3.6m。根據(jù)工藝要求，該皮帶通廊為敞開式，皮帶機上部設(shè)防雨罩。該通廊廊身設(shè)計為下承式平行弦鋼結(jié)構(gòu)桁架形式，支架采用螺旋焊鋼管和型鋼結(jié)構(gòu)。根據(jù)現(xiàn)場地形以及經(jīng)濟跨度，整個通廊設(shè)有5個固定支架，16個滑動支架。走道板采用6mm厚花紋鋼板。通廊兩走道外側(cè)設(shè)有安全防護欄桿。

1.2 合理劃分單元及確定跨度

對任何一個建筑物當它的長度很長時，我們都要考慮到設(shè)置伸縮縫。皮帶通廊的設(shè)縫是通過支座來完成的。該通廊是由鋼結(jié)構(gòu)桁架、支架及兩端的轉(zhuǎn)運站組成。通廊長度較大，中間必須設(shè)置多個固定支架，來承擔通廊的水平推力。同時考慮溫度變形需將通廊劃分為多個計算單元，根據(jù)鋼材的線膨脹系數(shù)α=12×10-6/℃，濟南地區(qū)冬夏最大溫差約按ΔT=55℃，大約計算一下120m的通廊溫度變形，變形量δ=α×ΔT×L=12×10-6×55×120×103=79.2mm，在每個計算單元之間設(shè)置上輥動支座就可以滿足通廊的溫度變形要求。輥動支座處我們一般控制允許變形量在100mm以內(nèi)。輥動支座要設(shè)置在固定支架的一個支撐點和轉(zhuǎn)運站牛腿上，所以每一單元的兩端均為固定支架或轉(zhuǎn)運站，通過計算，該通廊可劃分為6個計算單元。通廊兩端落在轉(zhuǎn)運站牛腿上的支撐點設(shè)為輥動支座，中間5個固定支架分別有一處支撐點為輥動支座，其余所有支撐點均為鉸接支座。這里的輥動支座通俗地講起到“伸縮縫”的作用。

從計算變形量公式我們可以看出，如果通廊處于冬夏溫差很高的地方時，計算單元的長度就應適當減少。例如我國內(nèi)蒙北部地區(qū)冬夏溫差可以達到80℃，當?shù)?2.5m的鋼結(jié)構(gòu)通廊的溫度伸縮相當于濟南地區(qū)120m的溫度伸縮量。所以我們一般將鋼結(jié)構(gòu)通廊100m左右設(shè)置為一個計算單元。

根據(jù)現(xiàn)場實際場地情況，要跨越障礙物、保持道路、河道通暢的情況下，將每一單元桁架用滑動支架分隔成合適的跨度(滑動支架間距)。該通廊兩端為水平桁架，中間大約120m為斜桁架，斜段設(shè)為一個獨立單元，水平段30m左右為一跨，斜段40m左右為一跨，地面允許的情況下盡量把每一單元分成等跨，這樣使桁架長度、高度以及構(gòu)件選擇上能做到統(tǒng)一標準化。

如果通廊長度不大，可利用通廊端部的廠房或轉(zhuǎn)運站作為通廊的固定點。沿通廊長度方向的全部水平力通過固定點傳給廠房或轉(zhuǎn)運站。固定點處的通廊支撐方式采用鉸接支撐，另一端可采用輥動支撐或鉸接支撐[1]。

跨度劃分還要考慮現(xiàn)場實際地形情況，要保證支架有處可落，還要使支架基礎(chǔ)盡量簡單節(jié)省。如遇河流等就需要跨越，而且將基礎(chǔ)做到土質(zhì)情況較好的河岸兩側(cè)。

圖1 HJ-1立面構(gòu)件布置圖

1.3 鋼結(jié)構(gòu)桁架式通廊受力分析及計算

鋼結(jié)構(gòu)桁架式通廊廊身可以看作是一種立體桁架，一般可以簡化成由兩側(cè)的兩榀豎向平面桁架、屋面平面桁架，走道板平臺(平面桁架)、端部平面框架組成，端部框架可以看成四榀桁架的支座，剛度比較大。四榀桁架互為平面外的支撐，保證每榀桁架的平面外穩(wěn)定，每榀桁架單獨受力分析時均可以看做平面桁架，端部的框架依靠四榀平面桁架的支撐保證平面外的穩(wěn)定，端部框架受力分析時也可以看成平面框架。廊身落在鋼支架上，荷載直接傳給鋼支架，然后通過柱腳傳到基礎(chǔ)。

當通廊長度較小，中間不需要支架支撐時可以將通廊兩端直接落在鋼梁上，鋼梁落在構(gòu)筑物(如轉(zhuǎn)運站等)牛腿上，荷載通過牛腿傳給柱子，然后傳到構(gòu)筑物基礎(chǔ)上。

1.3.1 水平形式桁架計算

對一個結(jié)構(gòu)進行計算時，第一步，統(tǒng)計荷載情況。(1)自然條件：該皮帶通廊按n=50年，基本風壓0.45KN/m2，基本雪壓0.35KN/m2。(2)活荷載：通廊平臺活荷載2.5KN/m2，積灰荷載0.5KN/m|，皮帶機活荷載3KN/m。(3)恒荷載：所有構(gòu)件自重(計算機PKPM計算時輸入荷載不考慮桁架自身桿件重量，程序計算時自動計算自重)。

第二步，根據(jù)工藝要求布置梁板位置，首先皮帶機支腿要落在走道板這層平臺梁上，根據(jù)工藝提供的皮帶機支腿間距確定平臺梁布置。平臺梁應沿通廊縱向布置，這樣支腿布置比較靈活，不用確定具體某一點的位置，支腿沿梁縱向均可布置。平臺梁上鋪設(shè)6mm厚花紋鋼板，一作為行走通道，二可以防止物料、灰塵等高空墜落。鋼板下部沿通廊縱向布置加勁肋，以提高鋼板強度。

第三步，桁架節(jié)間劃分。根據(jù)桁架長度等分成n個節(jié)間，如果沒法全相等，把不等間距放在端頭。一般節(jié)間長度和桁架高度、通廊寬度相協(xié)調(diào)，這樣保證平面、側(cè)面桁架斜桿和豎桿夾角接近45度，受力比較合理。兩榀豎向桁架通過節(jié)間處橫梁連接，此橫梁作為走道平臺層的主梁，放支腿的縱梁為次梁與此梁相連。

第四步，分析傳力途徑。平臺板上的活載、平臺板自重以及支腿線荷載和縱梁自重都傳到連接兩桁架的主梁上。此主梁荷載向兩側(cè)分布最后都集中到桁架節(jié)點上。每個節(jié)間如此，以豎向荷載傳到桁架所有節(jié)點上。下一步可以使用計算機輔助設(shè)計，建立桁架模型，輸入節(jié)點荷載進行單片桁架計算。通過上述步驟計算每個節(jié)點恒載約為5.5KN，活載為9.5KN。

當通廊底層平臺上滿鋪鋼板時，下弦水平支撐可以取消。這時整個走道板在承受橫向水平荷載時可以認為是一個薄腹鋼梁，兩側(cè)H型鋼可以看作薄腹鋼梁的翼緣，走道鋪板及肋板看作薄腹鋼梁的腹板[2]。

桁架兩端的剛架強度一定要大，可以看成空間四片桁架以此端部剛架為支撐點，防止桁架在水平荷載作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)。另外當桁架跨度很大時，可以在桁架中間設(shè)置一道剛架，保證桁架整體穩(wěn)定。

1.3.2 有傾角形式桁架

當通廊傾角為8°～12°時，地面(平臺板上)應設(shè)有防滑條；超過12°時，應設(shè)踏步，踏步面為水平面。

傾斜桁架形式平臺的計算和水平形式的荷載計算方法是一樣的，桁架上下弦桿與豎腹桿仍垂直，相當于桁架水平布置好所有桿件，然后整體傾斜一個角度，但兩端的剛架豎桿要調(diào)整成豎直的，所有節(jié)點荷載仍然是豎直向下，與下弦桿不垂直。

2 桁架形式優(yōu)化及構(gòu)件布置

桁架是由許多比較細長的桿件連接而成的空腹形式的結(jié)構(gòu)。理想桁架是各節(jié)點都是光滑無摩擦的鉸節(jié)點；各桿軸均為直線，并都通過鉸的中心；荷載都作用在節(jié)點上(如圖1)。

桁架兩端的支撐形式有上承式和下承式兩種。我們設(shè)計的平行弦桁架通廊一般采用的是下承式。為了確定合理的桁架結(jié)構(gòu)形式，我們對相同荷載作用下，不同桁架結(jié)構(gòu)形式的桿件進行內(nèi)力比較。以上述桁架(HJ-1)為例，通過荷載計算，每個節(jié)點按活載9.5KN，恒載5.5KN輸入計算模型。

現(xiàn)在我們使用計算機輔助設(shè)計，只有桿件布置正確了才能計算出更接近實際情況的受力模式。應用程序建模之后，所有桿件均按柱布置，上、下弦桿(H型鋼)按0偏心0角度輸入，豎腹桿(H型鋼)按0偏心90度輸入，兩端剛架豎桿也按0偏心90度輸入，中間斜腹桿為了對稱美觀，向左下方傾斜的桿件按0偏心180度輸入，向右下方傾斜的桿件按0偏心0角度輸入。桿件布置好后，在鉸接一欄下將所有節(jié)點均改為鉸接點(如圖1)。

以上四種布置方案，輸入相同荷載，桿件布置除方案三有4根斜腹桿(按其它方案桿件布置不滿足計算要求)不與其他三種方案相同外，其它均相同。通過比較可以看出，方案一、二、四桿件荷載相差不大，方案一、二斜腹桿交替為拉壓桿，除受力之外，我們一般是通過長細比來控制截面選擇，拉桿的允許長細比要遠大于壓桿允許長細比，所以盡量讓長斜腹桿為受拉桿，短豎腹桿為受壓桿，這樣可以用小截面構(gòu)件承擔相同的荷載，或者說同樣桿件，方案四這種布置可以承擔更大的荷載?？梢钥闯龇桨溉龢O不合理，長斜腹桿均為受壓桿，短豎腹桿均為受拉桿，導致斜腹桿截面變大，上下弦荷載也很大。經(jīng)過軸力圖比較，選擇方案四最為合理。通過軟件計算，整個單片桁架自重約為38KN。

應用計算機程序計算桁架時，沒有考慮橫向風載作用，所以各桿件的選擇上要比實際計算模型大5%～15%[3]，以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的承載力和剛度。

圖2 HJ-1桿件軸力圖(拉為正,壓為負)

3 結(jié)語

對于大跨度具有較大輸送能力的皮帶機支撐結(jié)構(gòu)，采用鋼結(jié)構(gòu)桁架式通廊是比較合理的，也是目前該結(jié)構(gòu)應用最多的一種形式。鋼結(jié)構(gòu)桁架式通廊能滿足工藝要求，傳力清晰，受力模型容易建立。

鋼結(jié)構(gòu)桁架式通廊，構(gòu)件受力清晰明確，計算簡單，鋼桁架作為廊身主要骨架，落地支架作為主要支撐結(jié)構(gòu)。桁架和支架這兩種獨立結(jié)構(gòu)利用計算機軟件容易建模，荷載輸入簡單，大多數(shù)構(gòu)件的主要受力特性均為軸向力，能充分利用鋼構(gòu)件的強度。除此之外，鋼結(jié)構(gòu)通廊施工方便、速度快，鋼結(jié)構(gòu)桁架、支架都可以在工廠成批量加工，現(xiàn)場只需將加工好的構(gòu)件吊裝拼接，大大提高了施工效率，帶來了很好的經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益。

[1]但澤義,薛尚鈴 等.建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造資料集上[M](第二版).北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[2]井玉國,孫婧.鋼結(jié)構(gòu)通廊的工程設(shè)計與應用[J].科技致富向?qū)?2011,23.

[3]尹元初.大跨度立體桁架[M].鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范國家標準管理組.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計計算示例》編組委員會.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.