钢结构桁架式通廊设计及优化

付裕

(济钢集团国际工程技术有限公司,山东济南 250101)

钢结构桁架式通廊设计及优化

付裕

(济钢集团国际工程技术有限公司,山东济南 250101)

论述了通廊的组成、传力途径、单元划分及跨度确定;对组成通廊的桁架进行受力分析、计算,在构件选择及布置上进行优化比较,总结出经济做法。

钢结构 通廊 桁架 设计优化

1 某工程皮带通廊大跨度钢结构桁架设计

1.1 通廊概况介绍

该通廊承担着从该工程烧结室到济钢4号大高炉之间的成品烧结矿运输工作。平面总长度为686m，属于单层单皮带通廊，走道板距地面高度为6.5m～17.5m，通廊宽度3.6m。根据工艺要求，该皮带通廊为敞开式，皮带机上部设防雨罩。该通廊廊身设计为下承式平行弦钢结构桁架形式，支架采用螺旋焊钢管和型钢结构。根据现场地形以及经济跨度，整个通廊设有5个固定支架，16个滑动支架。走道板采用6mm厚花纹钢板。通廊两走道外侧设有安全防护栏杆。

1.2 合理划分单元及确定跨度

对任何一个建筑物当它的长度很长时，我们都要考虑到设置伸缩缝。皮带通廊的设缝是通过支座来完成的。该通廊是由钢结构桁架、支架及两端的转运站组成。通廊长度较大，中间必须设置多个固定支架，来承担通廊的水平推力。同时考虑温度变形需将通廊划分为多个计算单元，根据钢材的线膨胀系数α=12×10-6/℃，济南地区冬夏最大温差约按ΔT=55℃，大约计算一下120m的通廊温度变形，变形量δ=α×ΔT×L=12×10-6×55×120×103=79.2mm，在每个计算单元之间设置上辊动支座就可以满足通廊的温度变形要求。辊动支座处我们一般控制允许变形量在100mm以内。辊动支座要设置在固定支架的一个支撑点和转运站牛腿上，所以每一单元的两端均为固定支架或转运站，通过计算，该通廊可划分为6个计算单元。通廊两端落在转运站牛腿上的支撑点设为辊动支座，中间5个固定支架分别有一处支撑点为辊动支座，其余所有支撑点均为铰接支座。这里的辊动支座通俗地讲起到“伸缩缝”的作用。

从计算变形量公式我们可以看出，如果通廊处于冬夏温差很高的地方时，计算单元的长度就应适当减少。例如我国内蒙北部地区冬夏温差可以达到80℃，当地82.5m的钢结构通廊的温度伸缩相当于济南地区120m的温度伸缩量。所以我们一般将钢结构通廊100m左右设置为一个计算单元。

根据现场实际场地情况，要跨越障碍物、保持道路、河道通畅的情况下，将每一单元桁架用滑动支架分隔成合适的跨度(滑动支架间距)。该通廊两端为水平桁架，中间大约120m为斜桁架，斜段设为一个独立单元，水平段30m左右为一跨，斜段40m左右为一跨，地面允许的情况下尽量把每一单元分成等跨，这样使桁架长度、高度以及构件选择上能做到统一标准化。

如果通廊长度不大，可利用通廊端部的厂房或转运站作为通廊的固定点。沿通廊长度方向的全部水平力通过固定点传给厂房或转运站。固定点处的通廊支撑方式采用铰接支撑，另一端可采用辊动支撑或铰接支撑[1]。

跨度划分还要考虑现场实际地形情况，要保证支架有处可落，还要使支架基础尽量简单节省。如遇河流等就需要跨越，而且将基础做到土质情况较好的河岸两侧。

图1 HJ-1立面构件布置图

1.3 钢结构桁架式通廊受力分析及计算

钢结构桁架式通廊廊身可以看作是一种立体桁架，一般可以简化成由两侧的两榀竖向平面桁架、屋面平面桁架，走道板平台(平面桁架)、端部平面框架组成，端部框架可以看成四榀桁架的支座，刚度比较大。四榀桁架互为平面外的支撑，保证每榀桁架的平面外稳定，每榀桁架单独受力分析时均可以看做平面桁架，端部的框架依靠四榀平面桁架的支撑保证平面外的稳定，端部框架受力分析时也可以看成平面框架。廊身落在钢支架上，荷载直接传给钢支架，然后通过柱脚传到基础。

当通廊长度较小，中间不需要支架支撑时可以将通廊两端直接落在钢梁上，钢梁落在构筑物(如转运站等)牛腿上，荷载通过牛腿传给柱子，然后传到构筑物基础上。

1.3.1 水平形式桁架计算

对一个结构进行计算时，第一步，统计荷载情况。(1)自然条件：该皮带通廊按n=50年，基本风压0.45KN/m2，基本雪压0.35KN/m2。(2)活荷载：通廊平台活荷载2.5KN/m2，积灰荷载0.5KN/m|，皮带机活荷载3KN/m。(3)恒荷载：所有构件自重(计算机PKPM计算时输入荷载不考虑桁架自身杆件重量，程序计算时自动计算自重)。

第二步，根据工艺要求布置梁板位置，首先皮带机支腿要落在走道板这层平台梁上，根据工艺提供的皮带机支腿间距确定平台梁布置。平台梁应沿通廊纵向布置，这样支腿布置比较灵活，不用确定具体某一点的位置，支腿沿梁纵向均可布置。平台梁上铺设6mm厚花纹钢板，一作为行走通道，二可以防止物料、灰尘等高空坠落。钢板下部沿通廊纵向布置加劲肋，以提高钢板强度。

第三步，桁架节间划分。根据桁架长度等分成n个节间，如果没法全相等，把不等间距放在端头。一般节间长度和桁架高度、通廊宽度相协调，这样保证平面、侧面桁架斜杆和竖杆夹角接近45度，受力比较合理。两榀竖向桁架通过节间处横梁连接，此横梁作为走道平台层的主梁，放支腿的纵梁为次梁与此梁相连。

第四步，分析传力途径。平台板上的活载、平台板自重以及支腿线荷载和纵梁自重都传到连接两桁架的主梁上。此主梁荷载向两侧分布最后都集中到桁架节点上。每个节间如此，以竖向荷载传到桁架所有节点上。下一步可以使用计算机辅助设计，建立桁架模型，输入节点荷载进行单片桁架计算。通过上述步骤计算每个节点恒载约为5.5KN，活载为9.5KN。

当通廊底层平台上满铺钢板时，下弦水平支撑可以取消。这时整个走道板在承受横向水平荷载时可以认为是一个薄腹钢梁，两侧H型钢可以看作薄腹钢梁的翼缘，走道铺板及肋板看作薄腹钢梁的腹板[2]。

桁架两端的刚架强度一定要大，可以看成空间四片桁架以此端部刚架为支撑点，防止桁架在水平荷载作用下发生扭转。另外当桁架跨度很大时，可以在桁架中间设置一道刚架，保证桁架整体稳定。

1.3.2 有倾角形式桁架

当通廊倾角为8°～12°时，地面(平台板上)应设有防滑条；超过12°时，应设踏步，踏步面为水平面。

倾斜桁架形式平台的计算和水平形式的荷载计算方法是一样的，桁架上下弦杆与竖腹杆仍垂直，相当于桁架水平布置好所有杆件，然后整体倾斜一个角度，但两端的刚架竖杆要调整成竖直的，所有节点荷载仍然是竖直向下，与下弦杆不垂直。

2 桁架形式优化及构件布置

桁架是由许多比较细长的杆件连接而成的空腹形式的结构。理想桁架是各节点都是光滑无摩擦的铰节点；各杆轴均为直线，并都通过铰的中心；荷载都作用在节点上(如图1)。

桁架两端的支撑形式有上承式和下承式两种。我们设计的平行弦桁架通廊一般采用的是下承式。为了确定合理的桁架结构形式，我们对相同荷载作用下，不同桁架结构形式的杆件进行内力比较。以上述桁架(HJ-1)为例，通过荷载计算，每个节点按活载9.5KN，恒载5.5KN输入计算模型。

现在我们使用计算机辅助设计，只有杆件布置正确了才能计算出更接近实际情况的受力模式。应用程序建模之后，所有杆件均按柱布置，上、下弦杆(H型钢)按0偏心0角度输入，竖腹杆(H型钢)按0偏心90度输入，两端刚架竖杆也按0偏心90度输入，中间斜腹杆为了对称美观，向左下方倾斜的杆件按0偏心180度输入，向右下方倾斜的杆件按0偏心0角度输入。杆件布置好后，在铰接一栏下将所有节点均改为铰接点(如图1)。

以上四种布置方案，输入相同荷载，杆件布置除方案三有4根斜腹杆(按其它方案杆件布置不满足计算要求)不与其他三种方案相同外，其它均相同。通过比较可以看出，方案一、二、四杆件荷载相差不大，方案一、二斜腹杆交替为拉压杆，除受力之外，我们一般是通过长细比来控制截面选择，拉杆的允许长细比要远大于压杆允许长细比，所以尽量让长斜腹杆为受拉杆，短竖腹杆为受压杆，这样可以用小截面构件承担相同的荷载，或者说同样杆件，方案四这种布置可以承担更大的荷载。可以看出方案三极不合理，长斜腹杆均为受压杆，短竖腹杆均为受拉杆，导致斜腹杆截面变大，上下弦荷载也很大。经过轴力图比较，选择方案四最为合理。通过软件计算，整个单片桁架自重约为38KN。

应用计算机程序计算桁架时，没有考虑横向风载作用，所以各杆件的选择上要比实际计算模型大5%～15%[3]，以保证结构具有足够的承载力和刚度。

图2 HJ-1杆件轴力图(拉为正,压为负)

3 结语

对于大跨度具有较大输送能力的皮带机支撑结构，采用钢结构桁架式通廊是比较合理的，也是目前该结构应用最多的一种形式。钢结构桁架式通廊能满足工艺要求，传力清晰，受力模型容易建立。

钢结构桁架式通廊，构件受力清晰明确，计算简单，钢桁架作为廊身主要骨架，落地支架作为主要支撑结构。桁架和支架这两种独立结构利用计算机软件容易建模，荷载输入简单，大多数构件的主要受力特性均为轴向力，能充分利用钢构件的强度。除此之外，钢结构通廊施工方便、速度快，钢结构桁架、支架都可以在工厂成批量加工，现场只需将加工好的构件吊装拼接，大大提高了施工效率，带来了很好的经济效益和社会环境效益。

[1]但泽义,薛尚铃 等.建筑结构构造资料集上[M](第二版).北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2]井玉国,孙婧.钢结构通廊的工程设计与应用[J].科技致富向导,2011,23.

[3]尹元初.大跨度立体桁架[M].钢结构设计规范国家标准管理组.《钢结构设计计算示例》编组委员会.北京:中国建筑工业出版社,2008.