选煤厂钢栈桥设计方法

董明和

在选煤厂运输系统的设计中，钢栈桥的设计是不可或缺的，栈桥的设计常采用钢管球节点桁架支承于钢筋混凝土支架结构形式，这是因为钢管为各向同性杆件，抗拉、抗压及其抗扭性能好，且此种桁架节点设计简单，材料可以在工厂加工，施工简单快速，用钢量相比其他型钢栈桥而言相对比较低，混凝土支架在煤堆中不宜腐蚀，由于具有上述优点，所以钢管球节点桁架支承于钢筋混凝土支架这种结构形式的栈桥广泛应用于选煤厂运输系统中，下面谈谈此种桁架的设计方法及其特点。

1 栈桥在建筑方面的设计要求

1)栈桥的结构安全等级和建筑抗震设防分类见表1。2)栈桥室内通道的最小宽度见表2。根据表2可计算出栈桥所需净宽:单皮带栈桥宽度(W)=皮带支架宽(W1)+检修道宽度(0.5 m)+人行道宽度(1 m)。双皮带栈桥宽度(W)=皮带支架宽度(W1+W2)+检修道宽度(0.5 m)+中间人行道宽度(1 m)+距设备固定部分人行道宽度(1.0 m)。3)栈桥纵向安全疏散距离不应大于75 m。4)输送机栈桥中的拉紧装置洞孔周边应采取安全防护措施(设栏杆)。5)输送机栈桥垂直于输送机栈桥楼板斜面的净高不应小于2.2 m。6)选煤厂输送精煤的钢栈桥楼板不宜为轻质楼板(铺设花纹钢板)，因为精煤含水量大，冬季钢楼板不保温，易结冰，角度大的楼板操作人员无法行走，所以尽量采用钢筋混凝土楼板，现在一般采用栓钉将压型钢板焊接于钢梁上，然后在压型钢板上浇筑混凝土(利用压型钢板做底模)。7)当输送机栈桥与相邻建筑物之间，7度及8度硬、中硬场地时，宜设防震缝;8度中软、软场地和9度时，应设防震缝。防震缝的设置应符合下列规定:a.栈桥与建筑物之间的防震缝最小宽度，当邻接处栈桥屋面高度不大于15 m时，可采用70 mm;当高度大于15 m时，6度，7度，8度和9度相应每增加高度5 m，4 m，3 m，2 m，防震缝最小宽度宜再加宽20 mm。b.栈桥中部设置防震缝时，防震缝的两侧均应设置支承结构，缝宽可按上述a.执行。c.地下栈桥与地上栈桥之间应设置防震缝，防震缝位置宜在地下栈桥底板高出地面不小于500 mm处设置。

表1 栈桥的结构安全等级和建筑抗震设防分类

2 栈桥结构设计方法

2.1 荷载的确定

栈桥结构设计参数见表3。

2.2 桁架的高度确定及钢管球节点桁架在软件SFCAD的建模

1)桁架高度的初步确定:对于跨度小于30 m走廊，一般上下弦的高度(h)取跨度(L)的1/10(重型楼板)或1/12(轻型楼板)。对于跨度为30 m以上的走廊一般需设置带下弦的双层支撑，第一层(皮带运转层)一般取3.5 m，第二层一般也取3.5 m。

表2 栈桥室内通道的最小宽度 m

表3 栈桥结构设计参数

2)钢管球节点桁架一般利用软件SFCAD建模计算，下面谈谈利用该软件设计此种桁架的方法:a.在软件中输入模型有两种方法:直接输入法:先把X，Y平面转化为X，Z平面，把第一点当作坐标原点，利用坐标法将其他各点输入。输入方法是先把桁架的第一个节点和最后一个节点输入，利用节点菜单下的增加节点→两点间等分把第一个节点与最后一个节点之间的距离根据节间数等分。间接输入法:导入DWG图形，先在CAD下画好需输入的桁架模型，然后把桁架交点打断，并存成2000版本格式的，因为SFCAD不认高版本的CAD，进入SFCAD后要旋转平面:第一步:用修改菜单下的整体旋转:XZ→YZ，选第一个点旋转90°，然后利用XY→XZ转换即可。b.支座的设置:钢管球节点桁架在SFCAD中建模型时，支座上节点为滑动支座(X向可以自由移动，Y，Z方向固定)，支座下节点为固定支座(X向，Y向，Z向均固定)，因为水平力是往下推，所以把下节点设置成固定支座;钢管球节点中建立竖直桁架时，是建立在X，Z平面内的，所有的球节点在Y方向均是固定的。c.选择杆件:利用杆件菜单下的增杆直接绘出桁架模型。d.在荷载菜单下→修改荷载值→选球(可以连续选球)→加荷载值(荷载值要输负值)，输入上下弦节点的竖直荷载(静载，活载，竖向地震荷载)输入到节点上。注:栈桥本身可不进行水平地震作用计算;当栈桥跨度大于24 m时且处于烈度为8度，9度的地区，桁架应考虑竖向地震作用;竖向地震作用可采用重力荷载代表值与竖向地震作用系数的乘积，即:竖向地震作用=(恒荷载+0.5x活载)，x为竖向地震作用系数，竖向地震作用系数的取值详见《构筑物抗震设计规范》5.3.2条表5.3.2。e.存盘→分析设计→进行内力设计。f.把风荷载下计算的杆件内力与在X，Z平面内计算的桁架内力相叠加，然后核算上弦杆(压杆)的稳定应力和下弦杆(拉杆)的强度应力。g.为了避免钢管杆件相碰，可把桁架支座处的腹杆钢管换算成H型钢。

2.3 钢桁架杆件计算长度确定

钢管球节点桁架杆件计算长度见表4。

表4 钢管球节点桁架杆件计算长度

2.4 钢桁架需验算的内容

1)桁架的长细比控制。桁架杆件长细比见表5。

表5 钢管球节点桁架杆件长细比

2)拉杆的强度应力(下弦杆)与压杆稳定应力(上弦杆)限值控制，可根据不同钢材牌号选用不同应力限值。

3)挠度:挠度计算可以在SFCAD菜单数据→RES文件下查出节点位移，然后利用节点最大位移与跨度之比验算挠度，挠度限值根据《钢结构设计规范》附录A表A.1.1中4项取L/400(L代表桁架跨度)。

3 栈桥支架的设计

3.1 支架布置的要求

支架不宜布置在煤场中，无法避开时，应采用圆形截面，且应计入煤堆的侧压力，支架宜采用可靠的防护措施，并应防止推煤机碰撞的措施。料堆中的支架构件所承受的堆料压力，应根据实际的堆煤高度按三角形荷载计算，并应考虑堆料压力来自任何可能的方向。

3.2 支架结构设计要求

1)栈桥的支架宜优先采用钢筋混凝土结构，也可采用钢结构;6度及7度硬、中硬场地，且支架高度小于5 m时，可采用机制砖砌箱形结构，其他情况均不应采用砖支承结构。

2)同一栈桥的支架宜采用相同材料，不同材料之间应设防震缝。

3)输送机栈桥横向支承结构为柱承式时不应采用单柱，宜采用无外伸挑梁的框架形式。主要原因为:a.因为单柱支承横向为悬臂结构没有多余约束，地震作用下一开裂就倒塌;b.因为这种结构在侧向力作用下其顶端变形较大。

4)支架一般采用双柱或四柱支承结构，如采用双柱支承结构，其横向应按框架计算，纵向应按排架(把桁架当作刚性杆，把桁架的力传到支架上)计算。如采用四柱支承结构，其横向与纵向全部按照框架计算即可。

5)栈桥支架纵向刚度较弱时，宜采用四柱式框架支承结构或设置纵向支撑。

6)栈桥支架采用钢筋混凝土框架结构时，应按照《构筑物抗震设计规范》第6.1.2条的规定确定抗震等级，并应符合相应的构造措施要求。在这里值得注意的是在2010版《建筑抗震设计规范》第6.1.5条中强调高度大于24 m的丙类建筑(栈桥及支架在选煤厂中属于丙类建筑)不应采用单跨框架结构，所以高度大于24 m的支架不能设计为混凝土框架结构，如要采用四柱式支架，则高度大于24 m的支架设计为抗震性能好的钢支架。

7)符合下列条件的栈桥支架，可不进行抗震验算，但应满足抗震构造措施的要求:a.7度硬、中硬场地时，钢筋混凝土结构或钢支撑结构。b.7度及8度硬、中硬场地和9度硬场地时，露天式栈桥的钢筋混凝土或钢支撑结构。

8)混凝土支架假如有皮带拉紧装置时，支架需进行封闭。一般支架采用加气混凝土砌块进行封闭。但通过笔者设计经验，建议采用压型钢板(岩棉夹芯板)封闭，具体做法是混凝土柱外侧预埋200×10宽通长钢板，混凝土柱拆模后钢板上焊接檩托，然后进行檩条安装及压型钢板(岩棉夹芯板)封闭。

3.3 栈桥支架计算所需考虑的问题

1)计算支架所需考虑的荷载见表6。

表6 计算支架所需考虑的荷载

2)混凝土支架裂缝限值:a.当支架处于露天或煤堆中时，混凝土支架的裂缝限值为0.2 mm。b.当支架处于室内环境中时，混凝土支架的裂缝限值为0.3 mm。

3.4 支架的地基基础设计

1)高度H≤30 m的支架按丙级计算，高度H＞30 m的支架按乙级计算。a.如基础按乙级考虑，基础除应进行地基承载力计算外，还应做变形验算。b.如基础按丙级考虑，一般只需做地基承载力验算，但在下列情况之一时，应作变形验算:支架周围及其附近有堆煤或相邻支架基础荷载差异很大，可能引起地基产生过大的不均匀沉降时;软弱地基或湿陷性黄土等复杂地基条件;基础下分布有软弱下卧层时;相邻建筑物距离过近，可能发生倾斜时;地下水位近期内变化较大时。

2)输送机栈桥一般较长，由于栈桥存在跨公路，跨河流等特点，所以支架所处的位置也不确定，支架应尽量避免处于斜坡或边坡及河流内，如果支架避不开这些地形，支架的基础还应计算下面两点:a.位于斜坡或边坡附近的建筑物应验算其稳定性。b.地下水位埋藏较浅，支架存在上浮可能时，应进行抗浮验算。

4 结语

本文浅谈了钢栈桥建筑、结构及基础设计方面的内容，并着重介绍了钢管球节点桁架支承于钢筋混凝土支架此种栈桥的设计特点、设计基本方法及其思路，并提出了设计此种桁架、支架及基础需注意的一些基本问题，可供从事选煤厂的土建设计人员参考。