长距离输送钢栈桥的设计

潘 沣

(中国五环工程有限公司,湖北武汉 430223)

栈桥是工业建筑中的一种常用的结构形式,作为工厂运输系统的重要组成部分,承担着运送原料和成品的任务。近年来,随着我国现代化建设的发展,工矿企业规模急速增大,钢结构栈桥以其结构自重轻,材料强度高,整体性好,施工周期短,在长距离输送大跨度栈桥建设中得到广泛应用。尤其是高度为15～20 m的栈桥,还具备造价低,抗震性好,建设速度快的特点。钢结构栈桥的型式越来越向大、高、重的方向发展。笔者根据近年来在化工项目钢栈桥设计中的实践,对设计中的若干问题作如下探讨。

图1 栈桥纵向结构体系

1 栈桥结构体系

目前,国内大跨度输煤栈桥由中间支架和纵向跨间结构组成,其结构形式一般是支架纵向采用排架、横向采用框架(带支撑),纵向跨间结构采用钢桁架的结构体系。但随着支架数的增加,栈桥的纵向稳定性会降低,故在长距离输送栈桥设计中,当栈桥分隔区段的长度≥50 m时,应在跨间适当位置布置一座四柱式框架结构(带支撑)。其结构体系如图1所示。

2 栈桥结构布置特点

一般栈桥平面形状呈细长条形,立面上纵向倾斜或水平。为了保证栈桥纵向体系的稳定,通常在低侧设不动铰接支座(固定端),承受竖向荷载和纵向地震作用;在高侧设滑动支座,保证在纵向地震作用下的位移变形。在跨间设置的四柱式框架(带支撑)作为承担纵向地震作用,这两种抗震方式的组合使用,可提高长距离栈桥结构体系的纵向稳定性。

布置栈桥支架时,在满足施工安装条件下,宜尽量加大跨距,纵向桁架的跨度一般不宜小于支架的高度。钢材消耗最少的桁架其h/L=1/10～1/12(h为桁架高度,L为桁架跨度),通常桁架高度为2.5～3.0 m,最经济跨度为30～36 m。使多榀桁架跨度相等,减少桁架的规格,尽量按经济跨度设置,还可以方便金属结构厂加工制作、减少设计工作量。在同一条栈桥中,非标准模数的跨度宜调整在栈桥的端跨。综上所述,应尽量考虑将桁架的跨度布置一致或接近一致。

3 栈桥结构设计

3.1 桁架形式及计算

3.1.1 桁架的结构形式

平行的钢桁架作为纵向承载结构,也作为侧维护结构的骨架,承受上下钢横梁传递的竖向荷载。纵向钢桁架是由上下弦杆和腹杆组成,上下弦杆为连续杆,腹杆通过节点板与上下弦杆连接。上下弦钢桁架节点处设置水平支撑及横梁,形成水平桁架,传递水平荷载。栈桥端门架就是桁架的支承,将主桁架的水平作用力通过端门架传向下部的支座,并保证栈桥的横向刚度及稳定。所以,设计时必须保证梁、柱连接点为刚接。端门架的横梁及立柱通常选用 H型钢。栈桥两侧及屋面通常采用轻型面板封闭,栈桥结构体系实际上就是一个由受力桁架和上、下弦水平支撑桁架组成的平面交叉桁架,最后发展为空间桁架体系(见图2),这种空间桁架的材料利用率高,应力水平高,故在大跨度、大空间结构中广泛应用。

3.1.2 桁架内力计算及截面选择

主桁架承受的荷载主要为通过横梁传来的屋面及楼面荷载和支撑的自重。内力分布为:上弦杆受压,且由端部向中部逐渐增大,下弦杆则由端部受压向中部受拉渐变,端部腹杆受力大于跨中腹杆,可以理解成“掏空”的梁,主桁架截面通常是由两个等肢角钢组成或者为 H型钢。主桁架腹杆一般采用双角钢或双槽钢。门架通常做成两铰门形刚架,梁及柱均按压、弯构件计算,同时其端门架立柱也是承重桁架的组成部分,立柱截面的选择必须考虑两者的内力组合。

图2 空间桁架体系

3.2 支架形式及计算

(1)栈桥支架一般可以采用钢筋混凝土支架和钢支架,栈桥的桁架可以直接坐落在支架上,也可以直接坐落在建筑物上,多跨栈桥支承位于特设的中间支架上。栈桥的中间支架可分为平面支架和空间支架。平面支架(如图3)可以看作一个竖起来的桁架,它的上下弦杆就是支架的立柱,直接承受栈桥桁架的反力,其杆布置在支架平面内,立柱可以是竖直的。当支架抗倾覆不能满足要求或支架基础过大时(如跨间结构跨度较大、支架较高时),也可以是斜放的(如图4),其在风载或水平力作用下有较好的侧向稳定性,但支架的上部应与栈桥的宽度相同,以利栈桥桁架直接坐落在立柱上。为避免栈桥的侧向变形过大,在跨间适当的位置应设置一些空间支架。多跨栈桥的支架,当不能利用两端建筑物或平面支架过高不能作为不动支架时,应设置一个空间支架,并综合考虑紧装置的部位。钢支架的立柱,一般可采用工字形截面或组合截面。

(2)现在通常用PKPM系列的STS钢结构软件对栈桥体系进行结构计算。进行结构分析计算时,需对支柱和上部桁架分别建模计算。在进行支柱分析计算时,我们在设计上进行了简化,沿栈桥纵、横两个方向分别建立平面杆系模型计算,纵向为两榀平面排架结构,横向为若干榀框排架结构。

图3 平面支架(形式a)

图4 平面支架(形式b)

3.2.1 纵向结构体系设计计算及构造

纵向计算模型如图5所示,取栈桥支柱及桁架建模,把桁架定义为惯性矩很大刚性杆件,将栈桥面以上的恒载、活载的一半均布到各刚性杆上,刚性杆与支柱的节点设为铰接点,各支柱上端铰接,下端与基础刚接。

图5 栈桥纵向计算模型

一般栈桥支柱高度相对较高,其截面尺寸的确定大多由平面内稳定应力比或长细比控制,通过大量计算的比较,只要长细比控制得当,稳定性一般都能满足。支柱平面内稳定性应满足 N/ (φA)≤f,其中,φ为支柱的轴压杆稳定系数,根据支柱的长细比、钢材屈服强度,支架在平面内的计算长度系数μ按如下原则确定(见表1)。空间支架布置柱间支撑宜采用刚性支撑,若水平位移值小于1/1 000,这时侧移的影响可以忽略,可按无侧移框架柱确定计算长度系数。否则,不论有无支撑均按有侧移计算。

表1 管架柱纵向(轴向)计算的长度系数(μ)

3.2.2 横向结构体系设计计算及构造

栈桥横向计算模型如图6所示,取各榀支柱PK分别建模,将支柱上部栈桥桥面以上的恒载、活载、风荷载等布置导算到支柱上。在计算风荷载时,由于栈桥结构形式的特点,主要承受风荷载部位是栈桥支柱顶部,而栈桥自重相对较轻,栈桥高侧高度较高,因此对风荷载比较敏感,基本风压应适当提高,同时应计算风振系数。计算过程中,可通过调整横梁截面尺寸及横梁间距,控制支柱长细比,保证侧向刚度规则。支柱的柱间支撑通常采用中心支撑体系,包括十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形支撑和 K形支撑等,尽量采用十字交叉支撑,因其可按拉杆设计,容易满足长细比要求,较经济。同一榀支柱之间自上而下宜选用一种支撑类型,以使侧向刚度和内力分布不出现突变。

横向地震作用及风荷载由支架及支座分别承担,横向水平地震荷载应考虑栈桥总体质量重心与刚度中心不重合而引起的扭转(当支架刚度相等,跨度布置均匀或相差10%以内时,可不考虑)。

3.2.3 计算时要注意把握以下几点设计细节

(1)桁架结构支座杆的模拟。桁架结构计算模型为一边简支,一边固定。STS模型输入时应将桁架两头的节点包括桁架下的支座杆均设置为铰支座,否则计算内力有误。

图6 栈桥横向计算模型

(2)桁架结构模型中所有杆件应设置为柱,所有受力应作用在上下弦节点位置。

(3)结构计算中,上下弦杆平面内计算长度系数一般保持为-1,平面外计算长度取水平支撑的距离。

(4)分析桁架杆件内力时,可将节点视为铰接。对用节点板连接的桁架,当杆件为 H型钢刚度较大的截面,且在桁架平面内杆件截面高度与其几何长度(节点中心间的距离)之比大于1/ 10(对弦杆)或大于1/15(对腹杆)时,应考虑节点刚性所引起的次弯矩。

(5)平面钢桁架斜腹杆宜尽量设计为拉杆,充分发挥钢材的受拉特性,节省钢材。

4 栈桥支座(桁架与支架的连接)设计

对倾斜放置的栈桥,可动支座(滚动支座、滑动支座)布置在栈桥的上方,铰支座布置在栈桥的下方。桥跨大于35 m时,不能再采用滑动支座,应采用滚动支座。滚动支座可分为单辊和多辊支座,单辊支座直径不小于150 mm,多辊支座直径不小于40 mm,在设计时可根据桁架的支座反力选用支座。根据钢结构规范,多辊支座的反力R应满足下列要求:

R≤(40ndL f)2/E

式中,d为辊轴直径;n为轴数目;L为辊轴与平板的接触长度。

支座节点的设计应满足计算假定,通常斜桁架下部支座节点可设计成固定铰支座,而中部和上部支座节点可设置成沿桁架长向可滑动的支座,这样可避免在地震或其他偶然荷载作用下,由于桁架两端建筑位移大小、方向不一致而引起的破坏。通常可在中部和上部支座下加设橡胶垫板以满足计算假定,但应注意的是,在承重桁架的平面外,应采取措施,保证支座与下部支承结构间不能产生错动,以保证结构的整体安全。

5 结 语

普通钢栈桥在工业建(构)筑物中有着广泛的应用。特别是长距离输送栈桥,工程量大,投资多且与场地的布置密切相关,设计中既要保证结构安全,又要适当考虑整齐美观,合理布置。正确地选择栈桥结构形式和跨距可以简化栈桥设计,满足桁架的支撑和支架的限位要求,取得较好的综合经济效果。