平鲁工业园区输煤系统栈桥钢支架布置方式及设计方法的探讨

高 岩，杨小军，刘建洲

（中煤西安工程设计有限责任公司，陕西西安710054）

平鲁工业园区输煤系统栈桥钢支架布置方式及设计方法的探讨

高 岩，杨小军，刘建洲

（中煤西安工程设计有限责任公司，陕西西安710054）

输煤栈桥钢支架的布置形式一般包括：单片式钢支架、格构式钢支架、四柱式钢支架。通常具体工程中的支架布置方式是：在不同的高度下，采用不同的支架形式布置。通过对整体模型进行有限元分析，重新对栈桥支架布置方式进行探讨。采用两种钢支架形式（单片式钢支架、四柱式钢支架）组合在一起的方式，形成单片四柱单元式钢支架，增强单元内结构的抗震性能，减少因计算长度系数的影响而形成的材料浪费。

输煤栈桥；钢支架；侧移刚度；地震位移；温度变形

工业建筑中栈桥支架一般采用混凝土支架及钢支架形式，栈桥钢支架具有工厂化生产，工业化程度高，施工速度快等特点，因此在很多工程中得到广泛使用。栈桥钢支架分为三种，分别是单片式钢支架、格构式钢支架、四柱式钢支架，按照栈桥高度、功能不同采用不同的支架形式。工业建筑中输煤栈桥桁架支座通常使用无阻尼支座，常规情况下一榀桁架一端设置铰接支座和一端设置滑动支座，地震及温度变形由桁架的滑动支座吸收，每一榀支架（带铰接连接的一榀桁架）自成一个抗震体系，每一榀桁架都是一个温度单元。按照实际工程中栈桥高度及地震烈度确定使用何种支架形式，单片式钢支架适用高度最低，格构式钢支架使用高度中等，四柱式钢支架适用高度最高。

1 工程概况

本文以中煤平朔集团有限公司平鲁工业园区输煤系统劣质煤、块精煤缓冲仓至2号转载点栈桥项目为例（桁架总长1 000 m，宽6.9 m～7.5 m，抗震设防烈度为7度，第三组，设计基本地震加速度0.10 g，抗震等级为四级，基本风压0.5 kN/m2，按变化40℃考虑温度荷载，栈桥支架采用热轧无缝钢管作为主材），该项目使用热轧无缝钢管作为支架的主要建筑材料，主受力构件材料均采用Q345B，钢支架柱容许长细比按照《建筑抗震设计规范》［2］（GB 50011 -2010）有关规定，抗震等级四级不应大于99（120235/fay=99），计算使用PKPM2010版V3.1的Spas+PMSAP的集成设计模块进行桁架、支架的整体分析，研究支架的最佳布置方式及设计方法。该工程高度普遍低于20 m，大量采用单片式钢支架及格构式钢支架形式，楼梯间采用四柱式钢支架形式。

2 支架设计算例分析

2.1 单片式钢支架设计

该工程的钢结构部分包含高度为5 m左右的桁架走廊，该部分支架可设计为单片式钢支架，设置两层垂直于桁架方向的斜撑，用以抵抗垂直桁架方向的地震作用。单片式钢支架顶部一侧使用铰接支座连接桁架，另一侧使用滑动支座连接桁架，因此该榀支架只能看做下端刚接，上端悬臂结构（铰接端桁架远端为滑动，所以该铰接支座实际并不能约束水平位移），钢支架柱顺桁架方向计算长度系数需按照有侧移框架柱计算长度系数取值，即μ取为2.03。由于只在垂直桁架方向均设置斜撑，因此两个方向柱的计算长度不同，会出现一个方向受压钢管柱线弹性失稳远早于另一个方向的压弯失稳。

对7 m高单片式支架计算，Spas+PMSAP分析结果显示：X向（顺桁架方向）地震工况下该单片式钢支架顶X向最大位移39 mm，支架顶位移比Δ u/h=1/179。支架位移比同样很难满足建筑抗震设计规范中建筑层间位移角限值1/250。

例如5 m高单片式支架，顺桁架方向计算长度为10.06 m，按照长细比控制（截面回转半径i需大于10.06×103/99=101.6 mm），钢支架柱需用到φ299×8，i=102.9 mm。而对于垂直桁架方向，由于设置有横向支撑且设置有抗侧力构件斜撑，可按照无侧移框架考虑支架柱计算长度系数即取为0.732，以层高2.5 m考虑，垂直桁架方向计算长度为1.83 m，按照长细比控制（截面回转半径i需大于1.83×103/99=18.5 mm），钢支架柱只需用到φ60× 6，i=19.2 mm（仅比较长细比控制钢支架柱截面的情况，暂未考虑应力比控制钢支架住截面的情况）。

根据以上算例，单片式支架实际上是一种垂直桁架方向截面非常富余，顺桁架方向截面非常浪费的支架布置方式。但考虑到施工方便、基础造价低及基本不受场地制约的多种因素，单片式支架也能够胜任高度比较低的桁架设计要求。

2.2 格构式钢支架设计

该工程钢结构部分前三榀桁架走廊高度为20 m以上，该部分钢支架顶部顺桁架方向地震位移比较大，可设计为格构式钢支架，以增加顺桁架方向的抗侧移刚度。格构式钢支架设置多层垂直于桁架方向的斜撑，用以抵抗垂直桁架方向的地震作用。格构式钢支架顶部一侧使用铰接支座连接桁架，另一侧使用滑动支座连接桁架。计算模型应为下端固接，上端悬臂结构（铰接端桁架远端为滑动，所以该铰接支座实际并不能约束水平位移）。格构式支架分为两种，一种为双柱式格构支架，另一种为三柱式格构支架。双柱式格构支架由于连接需要，梁、斜撑均需设置为双柱格构式构件，三柱式格构支架梁、斜撑可用单管连接于三柱式格构支架的一个钢管柱上。格构式支架需控制支架顶地震水平向位移（由于现场施工及年久老化的缘故，经常有个别滑动支座失去部分乃至全部设计滑动量，因此这里不按所有钢支架顶部均产生相同地震位移的情况考虑，而按照假定之前滑动支座失去滑动能力后，之后钢支架顶部地震位移量需全部由该滑动支座吸收）与单榀桁架温度变形之和小于滑动支座滑动量。由于格构式支架柱的截面大小取决于支架顶部地震及温度作用产生的位移，因此可通过两种方法解决该问题：方法之一为增加滑动支座滑动量，方法之二则需增加格构式支架抗推刚度，增加格构式支架钢管柱间距、柱断面或增加顺桁架方向斜撑。

格构式支架的优点在于：（1）能够在一定程度上减低地震作用下顺桁架方向的支架顶位移（提高了柱的抗侧移刚度）；（2）由于各钢管柱之间使用小横撑连接，增加了各钢管柱的侧向支撑，减小了各钢管柱的计算长度。

例：20 m高四榀双柱格构式钢支架，1.2 m宽支架，柱子采用φ325×8，根据Spas+PMSAP分析结果显示：X向（顺桁架方向）地震工况下该单片四柱单元钢支架顶X向最大位移24 mm，支架顶位移比Δ u/h=1/833。满足建筑抗震设计规范中建筑层间位移角限值1/250。30 m长桁架按40℃考虑温度变形14.4 mm（钢材线膨胀系数12×10-6，桁架长度30 m，40×30000×12×10-6=14.4 mm），总位移38.4 mm小于滑动量40 mm，满足滑动支座滑动量要求。格构式支架的布置见图1。

图1 格构式支架布置图

2.3 四柱式钢支架设计

该工程栈桥钢桁架部分高度不高，因此不需要因为高度太高而设置四柱式钢支架，仅是在功能上需要设置四柱式钢支架。四柱式钢支架在垂直桁架及顺桁架两个方向上均需设置多层斜撑，以用其抵抗两个方向的地震作用。

四柱式钢支架的优点在于：由于垂直桁架及顺桁架两个方向均设置斜撑，因此两个方向柱的计算长度相同，不会出现一个方向受压钢管柱线弹性失稳远早于另一个方向的压弯失稳，柱截面在两个方向惯性矩均能得到充分的利用。四柱式钢支架的缺点在于：占地面积大，钢支架本身用钢量多，工程费用高，基础造价高。

另外四柱式钢支架因为其空间更富裕，结构更适合设置楼层，因此可以很方便的做为一个疏散出口设置钢梯。

2.4 单片四柱单元式钢支架设计

该工程的钢结构部分还包含很长一段高度为5 m～20 m之间的桁架走廊。钢支架如果全部设置为单片式支架，由于柱计算长度系数需按有侧移框架柱计算长度系数取值，造成支架钢管柱受地震作用影响并不能得到充分利用，从而造成工程造价的提高；钢支架如果全部设置为格构式支架，不但支架造价高，而且由于柱子设置更多，基础造价也会更高。基于以上考虑，该部分支架可设计为单片四柱单元式钢支架，从而在满足设计要求的情况下降低工程造价。

另外由于单片四柱单元式钢支架在垂直桁架方向及顺桁架方向的刚度布置均匀，因此整个结构体系在地震作用下更趋于平动，减小了地震作用下扭转对结构产生的不利影响。

我们将单片式钢支架与四柱式钢支架结合在一起，形成若干个整体的无侧移单元（强支撑框架单元）进行组合，之间以抗震缝或一端铰接支座、一端滑动支座的桁架（联系桁架）进行联建，单元内的顺桁架方向地震力通过四柱式钢支架（四柱式钢支架斜撑）抗推刚度抵抗，而单元之间的温度变形及地震变形产生的位移或由两个单片四柱单元之间设置的一端铰接支座和一端滑动支座的桁架滑动支座吸收，或由两个单片四柱单元之间设置的抗震缝来满足变形要求。

按照《钢结构设计规范》［1］5.3.3条规定，强支撑框架框架柱的计算长度系数μ按本规范附录D表D-1无侧移框架柱的计算长度系数确定，即单片式钢支架柱顺桁架方向计算长度系数μ取为0.732，单片式钢支架的适用高度范围将大大提高，顺桁架方向柱截面也能得到充分利用，进而降低工程造价。

2.5 验 算

2.5.1 一组单片四柱单元为例

按照《钢结构设计规范》［1］（GB 50017-2003）5.3.3-2中第1）条的规定，验算15 m高单片四柱单元式钢支架在顺桁架方向是否为强支撑体系。图2中中间支架为四柱式钢支架，两边支架为单片式钢支架，与所搭接的两个钢桁架组成一个单片四柱单元式钢支架。

图2 单片四柱单元式钢支架

Spas+PMSAP分析结果显示：X向（顺桁架方向）地震工况下该单片四柱单元钢支架顶X向最大位移13 mm，支架顶位移比Δ u/h=1/1154。满足建筑抗震设计规范中建筑层间位移角限值1/250。

《钢结构设计规范》5.3.3-2中第1）条：当支撑结构（支撑桁架、剪力墙、电梯井等）的侧移刚度（产生单位侧倾角的水平力）Sb满足公式Sb≥3（1.2∑Nbi-∑N0i）的要求时，为强支撑框架，框架柱的计算长度系数μ按本规范附录D表D-1无侧移框架柱的计算长度系数确定。

式中∑Nbi-∑N0i为第i层层间所有框架柱用无侧移框架和有侧移框架柱计算长度系数算得的轴压杆稳定承载力之和。

结论：按照钢结构规范5.3.3-2中第1）条的规定，该15 m高单片四柱单元式钢支架在顺桁架方向为强支撑体系，钢支架柱的计算长度系数μ按照钢结构规范附录D表D-1无侧移框架柱的计算长度系数确定，对于单片四柱单元内的单片式支架，顺桁架方向的计算长度系数可取为0.732。

2.5.2 两个单片四柱单元式钢支架联建

在实际工程中，栈桥桁架很长，实际工程中需要把两个单片、四柱单元式钢支架与一个联系桁架进行组合，其最中间一榀桁架（联系桁架）一端与一个单元（如左边单元）一端单片支架柱顶连接方式设置成铰接，另一端与另一个单元（如右边单元）一端单片支架柱顶连接方式设置成滑动，单元之间温度变形及地震变形产生的位移由中间联系桁架设置的滑动支座吸收，如此既满足了抗震、温度变形的要求，又适当的降低了其中单片式钢支架柱计算长度，从而达到了降低工程造价的目的。以实际工程中（单榀桁架30 m长）为例，联建之后的两个四柱式钢支架可设置疏散楼梯，疏散距离100 m左右，能够满足疏散要求，两个联建的单片四柱单元用抗震缝隔开，两个抗震缝之间距离150 m左右，从而满足抗震缝的设置要求（见图3）。

图3 两个单片四柱单元式钢支架联建

3 结 论

从该工程钢支架设计过程中可以看到，一条栈桥布置何种钢支架形式（单片式钢支架、格构式钢支架、四柱式钢支架）由工程所需的栈桥高度、所在场地的抗震烈度、当地温度变化量（温度变形及地震变形产生的位移）决定，同时也要考虑工程实际的场地状况及使用功能上的要求。

实际工程设计时使用单片四柱单元式钢支架进行栈桥布置，不仅能满足工程中的功能要求，而且该单元中单片式钢支架的适用高度范围将大大提升，柱截面用钢量也能大大降低，进而降低工程造价，是比较经济的一种布置方式。

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The Arrangement Mode of Trestle Steel Support in Pinglu Industrial Park

GAO Yan，YANG Xiaojun，LIU Jianzhou
（China Coal Xi’an Design Engineering Co.，Ltd.，Xi’an，Shaanxi 710054，China）

There are many layouts of coal transport trestle steel supporting structures，such as single steel sheet supporting structure，lattice steel supporting structure and four pillars steel supporting structure.Generally the bracket arrangement in the concrete engineering is in different heights and different support forms are used.Based on the finite element analysis of the whole model，this paper proposed a new method for the arrangement of the transport trestle support，which combines two kinds of steel bracket single steel sheet supporting structure and four pillars steel supporting structure together，the new method could enhance the seismic performance of the unit structure and reduce material waste for influence of effective length factor.

coal transport trestle；steel support；lateral stiffness；earthquake displacement；temperature deformation

TU323.4

A

1672—1144（2016）05—0235—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.045

2016－06－04

2016－07－01

高 岩（1980—），男，陕西西安人，工程师，主要从事工业与民用建筑结构设计。E－mail：gaoyand@126.com