输粮钢栈桥结构设计

2016-04-28赵华营谢会杰

现代食品 2016年22期

◎ 赵华营，谢会杰，王宁

（中粮工程科技（郑州）有限公司，河南郑州 450053）

钢栈桥是工业建筑中一种常用的结构形式，对于大型粮油加工企业原料的接收、储存、发放至关重要。由于厂区人流、车流较多，地面输送粮食不可能实现，而地下输送粮食存在地下防水等难题也不轻易采用，架空钢栈桥就得到了大量运用，如图1所示。

钢栈桥由钢桁架、支撑系统、钢格栅和支架系统组成，在设计输粮栈桥时，主梁常采用钢桁架结构。钢桁架是由杆件组成的结构体系，在进行内力分析时，节点一般假定为铰节点，当荷载作用在节点上时，杆件只有轴向力，其材料的强度可得到充分发挥。桁架结构的优点是利用截面较小的杆件组成截面较大的构件，单层厂房的屋架常选用桁架结构。在港口码头、粮食转运过程中，通常采用钢栈桥结构形式。

图1 钢栈桥图

1 钢桁架的结构形式

钢桁架的结构形式如图2所示。在确定桁架结构形式时，应综合考虑桁架的用途、跨度、荷载等因素，使之符合适用、受力合理、经济和施工方便等原则。从受力角度考虑，桁架外形应尽量与弯矩图相近，以使弦杆受力均匀。受力较合理的腹杆布置应使短杆受压，长杆受拉，腹杆数量少，总长度短。且尽可能使荷载作用于节点，避免弦杆因受节间荷载引起局部弯矩而增加截面。从施工角度考虑，桁架杆件的数量和品种应尽可能少，在用钢量增加较少的原则下，力求尺寸统一，构造简单，以便制造。腹杆与弦杆轴线间的夹角一般在30°～60°，最好在45°左右，以使节点紧凑。

图2 钢桁架形式图

输粮栈桥主要采用平行弦桁架，其具有杆件规格统一、节点构造统一、便于制造等优点。平行弦桁架分为上承式和下承式。

2 栈桥桁架横断面尺寸的确定

栈桥宽度方向的轴线尺寸取决于栈桥上输粮皮带机的型式及排列，人行道的宽度一般为700～800 mm，检修道宽度为450～500 mm[1]。如果有输油管道或其他设备穿过栈桥，则其总宽度应进行调整，总宽度应算至桁架中心。

桁架高度方向的轴线尺寸取决于栈桥的跨度，但需同时满足栈桥从板底到板顶的高度不应小于输粮设备高度。不加下斜撑的栈桥跨度一般情况下为30～36 m，可以是单跨或多跨[2]。多跨栈桥的布置应考虑栈桥下的建筑物、道路、运粮车辆高度和宽度、管网、铁路等的布置情况，且相互协调。

此外还应考虑所用钢材的经济性、制造及安装方便程度。钢材消耗量最少的桁架高跨比h/L=1/10～1/12，不加下撑的桁架高度为2.5～3.3 m，最优跨度为25～36 m[3]。若桁架的支架也是钢结构，其最优跨度要和支架的钢材消耗统一考虑。如跨度不等，一般为了是栈桥高度统一，小跨度的桁架高度就要随着大跨度的高度而加大。因此，应尽量考虑将桁架的跨度布置一致或接近一致。

3 桁架的荷载计算

桁架上的荷载有永久荷载和可变荷载两大类。桁架所受竖向荷载（恒载、活载、风载在竖向产生的荷载）应加在桁架的节点上。水平荷载（风荷载、地震）对支撑弦杆的作用力要作为承重桁架的附加荷载计算，一般只为承重桁架作用力的15%，如果截面选择的余量远大于15%则可不另计算。栈桥跨度超过30 m时，拼装起拱预留量为1/500[4]。弦杆拼接部位不要放在节点上，可放在节间的中部。分析各个杆件的受力情况；在节点荷载作用下，桁架上弦受压、下弦受拉，如图3所示；桁架上弦的压力、下弦的拉力由桁架支座两端向跨中逐渐增大。由于桁架下弦支座两端拉力较小，所以当栈桥很高、跨度很大时，风荷载对栈桥的作用就不能忽视。因为在风荷载的作用下，桁架下弦支座两端的弦杆有可能由受拉状态转为受压，在考虑风荷载对桁架影响时，桁架上下弦截面的选择在原有基础上要增大一级。

图3 桁架内力图（拉力为正，压力为负）

4 保证输粮钢栈桥整体稳定的结构措施

钢栈桥的整体稳定计算上较难以控制，设计要采取必要的结构措施，防止栈桥在水平风荷载作用下，侧移变形过大或主桁架平面偏转角位移（主桁架平面与上弦水平支撑平面间的直角的改变）过大，从而使钢栈桥整体失稳。

为增强输粮钢栈桥的整体稳定性，需要采取以下措施：①控制钢栈桥的宽跨比限制。②增加钢栈桥抗扭转的构造措施，主要通过在主桁架与上弦檩条；连接节点处，加焊一个隅撑。③设置水平支撑，水平支撑用来承受桁架横向荷载，并保持桁架的空间稳定和空间刚度，是栈桥构件中很重要的构件。布置在桁架的上弦和下弦平面内，桁架的弦杆同时是支撑的组成杆件。支撑斜杆一般采用圆钢管或等边单角钢，用交叉斜腹杆对经常改变方向的荷载最有利，斜腹杆只考虑承受拉力，竖杆承受压力。斜腹杆的角度最好控制在40°～50°[5]。栈桥的经济指标见表1。

表1 栈桥的经济指标表

5 支撑结构形式及设计要求

栈桥两端的支撑结构宜使用同一种材料，栈桥两端的支撑结构宜采用钢支架或钢筋混凝土框架。支架承受桁架传来的竖向和横向荷载，支架的稳定性决定支架下部的宽度，支架稳定力矩与倾覆力矩的比为支架的稳定系数，一般为1.25。支架高度小于15.0 m时，可采用钢筋混凝土支架，其宽度一般与上部栈桥同宽，支架高度大于15.0 m时，且两侧栈桥跨度较大，稳定性要求较高时，可做成钢支架。钢支架高宽（垂直栈桥方向）比不宜大于6（6、7度设防），5（8度设防），4（9度设防）；钢柱支架沿高度每隔一层或两层（6、7度设防）须设置水平支撑，以增强支架的抗扭转能力；钢支架的立柱和横梁宜采用H型钢，立柱与横梁节点采用刚性连接，斜支撑采用双角钢或圆钢管[6]。钢支架斜支撑形式有三种，如图4所示。