某大跨度运煤栈桥的结构选型与设计

侯海鹏

（煤炭工业太原设计研究院，山西太原　030001）



某大跨度运煤栈桥的结构选型与设计

侯海鹏

（煤炭工业太原设计研究院，山西太原030001）

摘要：结合具体工程案例，对运煤栈桥的结构选型进行分析，通过与其他结构形式进行比较，提出了钢管空心球节点桁架的优势，并对其在设计中的重点和难点进行了阐述，为类似工程设计提供借鉴。

关键词：桁架，栈桥，端门架，支座

1　工程概况

该工程为某焦化厂运煤栈桥，位于甘肃省酒泉市。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0. 15g，设计地震分组为第二组。基本风压为0. 5 kN/m2，基本雪压为0. 3 kN/m2，建筑物场地土类别为Ⅱ类。运煤栈桥为破碎楼至煤塔，全长分为四段16 m + 18 m +30 m +30 m，最高标高为29. 800 m，宽度为3. 5 m，倾斜角度为18°。以下主要论述30 m跨度栈桥的选型与设计。工程楼面采用120 mm厚钢骨架轻型板，屋面及墙身采用100 mm厚夹芯彩板，上下弦杆采用无缝钢管，焊接空心球。

2　栈桥结构形式的确定

2.1输煤栈桥的特点及组成

焦化厂输煤栈桥具有跨度大、高度高、节点多且复杂、型式多样等特点。不同于其余构筑物，由于输煤工艺的特殊要求，其平面呈细长型，立面一般为倾斜型式。栈桥主要由跨间承重结构，支架结构及围护结构组成。

跨间承重结构形式主要有钢筋混凝土结构、角钢桁架、型钢桁架、钢管桁架、网架结构等形式。支架形式主要有钢筋混凝土框架结构，钢框架结构，钢管混凝土结构，砌体结构等。

2.2结构形式的确定

支架柱高超过20 m，地质条件不好，恒荷载大，施工吊装条件有限，跨度在24 m～36 m时综合考虑经济跨度，栈桥跨间承重结构采用钢结构较混凝土结构合理。

该栈桥上部支承在煤塔上，由于焦化厂煤塔标高很高，考虑到厂区建构筑物较多，且要上跨道路、管道支架施工，因此选用钢管空心球桁架结构。

钢管空心球桁架重量轻、受力合理、制作简单、运输安装方便、用钢量省、有成熟的应用经验，此种结构既能起到承受荷载的作用，又能为栈桥的封闭提供骨架，且便于维护。对桁架采用满应力优化设计，技术经济指标明显好于型钢板节点桁架体系。

桁架内有运煤皮带机，且有便于检修用的检修通道，故空间桁架内部无交叉支撑。为避免风荷载作用时上下弦产生错动，GB 50592—2010煤矿矿井建筑结构设计规范规定：应在栈桥的端部和支座位置设置封闭刚架，在桁架的上弦和下弦处，宜通长设置桁架纵向水平支撑，同时设置横向垂直支撑。

3　桁架结构设计

3.1桁架高度、节间与支座形式的确定

桁架的高度可取桁架跨度的1/12～1/18，并应满足工艺检修要求。桁架的节间可取2. 0 m～3. 0 m，桁架节间尺寸应与桁架高度协调。上下弦支撑桁架的分格应分别与承重桁架的上下弦分格相同。这样才能保证桁架杆件平面外计算长度与平面内计算长度相同。

综上，确定此桁架杆件几何尺寸。桁架杆件几何尺寸见图1，上弦支撑几何尺寸见图2，下弦支撑几何尺寸见图3。

图1　桁架杆件尺寸图（单位：mm）

图2　上弦支撑尺寸图（单位：mm）

图3　下弦支撑尺寸图（单位：mm）

对于大跨度的钢桁架来说，地震、温度或者偶然荷载作用下，桁架两端会产生纵向水平位移而发生变形，应该让产生的这些应力释放掉。因此两端支座不应都设置成固定铰支座，斜桁架下端支座采用固定铰支座，上端采用滑动铰支座，这主要是避免让较高的支承结构承受水平力，同时也避免了由于桁架下滑引起的下弦杆件附加拉力。铰支座一般选用橡胶平板支座或者滚轴支座。板式支座一般用在跨度30 m以下的桁架，滚轴支座一般用在跨度30 m以上的栈桥，本工程选用橡胶平板支座。

3.2荷载取值（标准值）

1）恒载。

包括建筑，工艺等专业资料的荷载（不包括桁架自重）。

屋面恒荷载0. 3 kN/m2，楼面恒荷载3. 5 kN/m2。

2）活载。

包括工艺荷载，张紧设备荷载。

屋面活荷载0. 5 kN/m2。

楼面活荷载3. 0 kN/m2。

3）风荷载。

基本风压为0. 5 kN/m2，地面粗糙度类别为B类，风荷载标准值（30 m高度处）：ωk=βzμsμzω0= 1. 2×1. 3×1. 39×0. 5 = 1. 084 kN/m2。上弦支撑桁架取受风荷载作用1/3面积的风载，下弦支撑桁架取受风荷载作用2/3面积的风载。

4）雪荷载。

基本雪压为3. 0 kN/m2。

5）温度荷载。

根据规范规定，温度区段划分满足要求，不考虑温度荷载。

6）地震荷载。

根据GB 50191—2012构筑物抗震设计规范，本工程位于7度区，只计算纵横向水平地震作用，不进行竖向地震作用的计算。

3.3内力分析

1）设计软件。采用空间结构分析软件MST 2008进行计算。

模型：选用正交正放桁架型网架，支承位置位于下弦，约束条件为两边竖向简支。

2）设计参数。

材料：钢材采用Q235-B，无缝钢管及焊接空心球。

杆件容许长细比：拉杆200，压杆180。

强度折减系数：0. 9。

容许挠度值：1/250。

3）结构内力分析。

从内力分析可以看出下弦杆为拉杆，上弦杆为压杆。上弦杆跨中拉力最大，越到支座边力越小；下弦杆跨中压力最大，越到端部力越小；端部腹杆受力最大，越到跨中受力越小。符合力学概念与受力模型。风荷载产生的力通过上下弦支撑传递给端门架，最终由端门架传递给支座。

3.4杆件与焊接球的确定

杆件截面的最小尺寸应按照计算的结果确定，对大、中跨度桁架结构，钢管不宜小于D60×3. 5。杆件分布应保证刚度的连续性，受力方向相邻的弦杆其杆件截面面积之比不宜超过1. 8倍。

焊接空心球外径与壁厚的比值宜取25～45；空心球壁厚不宜小于4 mm；空心球外径与连接钢管外径之比宜取2. 4～3. 0；空心球壁厚与钢管最大壁厚的比值宜取1.5～2. 0。确定焊接空心球外径时，球面上相邻杆件钢管间的净距不宜小于10 mm，尽量使杆件不相贯连接。当空心球外径不小于500 mm，应在球内加肋。

根据以上要求及计算内力结果选定桁架杆件及空心球的结果如下：桁架杆、球型号见图4，上弦支撑杆、球型号见图5，下弦支撑杆、球型号见图6。

4　设计中的重点与难点

4.1端门架

端门架也就是支座处的封闭刚架承受支撑桁架传来的水平荷载和承重桁架传来的垂直荷载，应该具有足够的刚度和承载力。端门架作为各榀桁架的支点，除满足承载力要求外，应构造加大截面以具有足够的刚度。因此门架的梁柱采用H型钢制作。

图4　桁架杆、球型号布置图（单位：mm）

图5　上弦支撑杆、球型号布置图（单位：mm）

图6　下弦支撑杆、球型号布置图（单位：mm）

4.2下弦横梁

栈桥的下弦横梁除承受下弦支撑传来的轴向力外，一般还兼作楼面结构的横梁，应该考虑楼板作用下的附加弯矩和剪力，故可采用工字钢或者方钢管。

4.3桁架上、下弦杆

桁架上、下弦杆件设计时应特别注意，承重桁架的弦杆与支撑桁架的弦杆为同一构件，风荷载作用下，弦杆产生的内力应与承重桁架在竖向荷载作用下产生的内力组合叠加后再用于杆件设计。

5　结语

由于计算机结构计算软件的飞速发展，相比原来简化模型单榀桁架、支撑系统分别计算，用MST空间计算软件整体计算分析，结果更为准确，计算工作量大为减少，施工图更为精确，尤其适合大跨度结构，复杂结构的计算分析。

但运用软件计算的同时，更应扎实自己的基本功，对结构的受力选型要做到心中有数。对软件计算的模型，分析结果有基本的判断。

参考文献：

［1］JGJ 7—2010，空间网格结构技术规程［S］.

［2］GB 50592—2010，煤矿矿井建筑结构设计规范［S］.

［3］GB 50191—2012，构筑物抗震设计规范［S］.

［4］梁庞，王连新，肖希.大跨度钢桁架栈桥的设计与选型［J］.煤炭工程，2012（1）：77-78.

［5］于良科.钢栈桥设计与施工［J］.山西建筑，2007，33（24）：306-307.

Structural selection and design of large-span coal-transporting trestle

Hou Haipeng
（Coal Industry Taiyuan Design Academy，Taiyuan 030001，China）

Abstract：Combining with specific engineering cases，the paper analyzes the coal-transportation trestle structure selection，compares it with other structural forms，puts forward advantages of steel-tube hollow-ball joint truss，and finally describes its design points and difficulties，which has provided some guidance for similar engineering design.

Key words：truss，trestle，portal，bearing

中图分类号：TU318

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0054-02

收稿日期：2016-01-17

作者简介：侯海鹏（1982-），男，工程师