下部平接钢结构通廊SAP2000建模分析

摘 要：带式输送机通廊有时做成下部平接钢结构通廊，这种结构形式的钢桁架通廊与结构力学平面桁架计算方法稍有不同，文章采用结构结构分析软件SAP2000并结合工程实力对这种结构形式进行了建模分析，并用PKPM对计算结果进行了比较与分析，指出了二者之间的区别并进行了分析，对类似结构的设计和施工具有一定的参考意义。

关键词：带式输送机；下部平接钢通廊；SAP2000；PKPM；建模分析比较

引言

带式输送机又称胶带输送机，可用于水平运输或倾斜运输，由于使用方便，被广泛应用于现代各种工业企业中，如矿山井下巷道、地面运输系统、露天采矿场及选矿厂等。带式输送机大多安装在通廊内，由于运输距离长，其通廊长度大，有时要跨越地面建筑物、道路河流等，这种情况下大多采用钢结构通廊（简称钢通廊）。钢通廊相比混凝土结构通廊而言，由于具有自重轻、跨度大、节省材料、施工方便以及可以合理利用场地等优点，近年来带式输送机钢通廊的应用越来越广泛。钢结构通廊的结构形式一般采用空间桁架，为减小桁架高度、减少外侧墙面彩板面积及节约钢材量，桁架下弦杆件可选用工字钢或H型钢，将支承带式输送机支腿荷载的梁和起横向联系作用将荷载传至桁架节点的水平横梁布置成顶面与桁架下弦工字钢或H型钢顶面平齐，我们将这种钢结构通廊称之为下部平接钢结构通廊。本文将结合工程实例，运用结构分析软件SAP2000对这种结构形式的钢通廊进行了建模分析，同时用PKPM进行了校核，为此类结构的设计分析提供一种方法和思路，具有一定的借鉴和参考意义。

1 工程实例概况

某钢厂烧结工程项目中一段跨度为30m的胶带机通廊，胶带机支腿荷载为5kN/m，两侧走人处活荷载为3.0kN/m2，该段通廊要求不封闭不采暖。根据以上要求选用结构形式为下部平接钢桁架通廊，结构布置方案如下：由于工艺要求净宽度3.5m，考虑钢桁架端部门型架宽度等布置两侧桁架中心线距离为3.8m；上弦布置十字交叉水平支撑L75x6，上弦水平连接横梁选用2[12.6背对背组合；桁架下弦布置胶带机支腿梁I16和水平连接横梁HW175x175x7.5x11，满铺-5纹钢板（下方设-60x6@500加劲板，纹钢板及加劲板与钢梁焊接牢固可靠，可假定纹钢板平面内刚度无穷大）；桁架高度取2.7m，桁架端竖杆HM294x200x2x12，端斜腹杆2L125x8，其他斜腹杆2L90x6，桁架所有直腹杆均为2L75x6。

2 SAP2000建模分析及结果

将以上布置方案在SAP2000中建立模型，为方便与PKPM计算结果比较，仅定义了恒载dead和活载live两种荷载模式（材料自重由软件自带的DEAD荷载模式计算），钢材材质定义为Q235B，钢材截面选用中国标准型钢，-5纹钢板定义成忽略钢板受拉强度的虚拟面（受拉方向上刚度修正为0），此面上的荷载定义为均匀分配到框架上，定义构件铰接及施加其他荷载后的最终计算模型如图1所示，计算出的单片桁架轴力如图2所示（1.2恒+1.4活组合），计算构件全部满足要求。

3 与PKPM桁架计算结果比较分析

为校核SAP2000计算结果的准确性，笔者用PKPM桁架计算进行了校核。PKPM单片桁架模型的尺寸及截面与SAP2000模型中完全一致，通过手算将上、下弦恒活荷载等效转化为桁架节点荷载，并在桁架模型中假定所有节点连接均为铰接。PKPM计算出的单片桁架轴力图如图3所示（1.2恒+1.4活组合）。

为方便比较，笔者将SAP2000与PKPM对于同一片桁架主要杆件的轴力值（1.2恒+1.4活组合）列于表1中（皮带机支腿梁I16轴向力释放见后续分析）。通过观察表格中数据，我们可以发现如下规律：

（1）桁架上弦杆件轴向压力最大值基本一致，两种软件结算结果相差不到3%。

（2）桁架下弦杆件轴向拉力差值大于3%，SAP2000计算出的结果比PKPM小3.66%。

（3）桁架端斜腹杆计算轴向力基本一致，两种软件结算结果相差不到3%。

通过分析以上规律及查找二种软件模型中的不同之处，笔者认为SAP2000与PKPM在单片桁架模型计算上存在不同之处。首先是在SAP2000单片桁架模型中，整个桁架上、下弦杆件在节点处并未打断（剛接），而PKPM在所有节点处全部定义成铰接（与结构力学中平面桁架基本假定一致）。其次，SAP2000中模型为空间模型，空间桁架在荷载作用下发生整体弯曲变形，桁架下弦平面上的所有构件都参与分配轴向拉力，即桁架下弦杆件和皮带机支腿梁都承受轴向拉力。同理，若下弦平面上铺设的-5纹钢板平面刚度不修正为0，那么它也会参与受拉，分走很大一部分轴力（读者可自行建模验证）。实际工程中由于钢板往往后铺设且多为间断焊，不考虑这部分的受拉作用。为验证以上分析，笔者在SAP2000模型中将皮带机支腿梁I16的轴力释放掉（即假定改梁也不参与受拉），重新计算后桁架下弦所承受的轴向拉力最大值由原来的549.35Kn变成了583.64Kn，也就是说桁架下弦杆的轴力增大了34.29Kn，这就与PKPM计算结果就很接近了（差值小于3%），这也证明了笔者的分析是正确的。同时我们也可以推测出若皮带机支腿梁截面由I16大为H型钢的话，它所分走的桁架下弦轴向拉力也会更大，跨度越大这部分力也会越大，对桁架的设计分析影响也会越大。在实际工程设计中，须对大跨度钢通廊结构（如跨度大于60m钢通廊）中皮带机支腿梁所承受的轴向拉力引起足够的重视，笔者建议对这种结构设计时采用两种软件计算校核。此外我们还可以发现本例中承受轴向力为主的桁架，上、下弦节点处刚接、铰接的计算结果基本一致，次应力影响较小可忽略。

4 结束语

本文通过对下部平接钢结构通廊运用SAP2000进行整体建模分析以及与PKPM计算结果的比较，我们可知下部平接钢结构通廊这种结构形式的钢桁架与传统的桁架计算存在一定的区别，SAP2000计算出的桁架下弦杆件比传统单片桁架计算出的截面小，若据此进行设计须重视和合理利用皮带机支腿梁的轴心受拉作用。考虑到实际生产中可能检修或者更换皮带机支腿梁，此时桁架下弦杆件强度就可能不满足要求了，笔者建议下弦杆件截面仍PKPM的计算结果选取，这样设计更保守和安全可靠。此外也可考虑桁架预起拱作用，它也能一定程度上抵消下弦杆件在轴向拉力作用下所产生的变形，减小下弦杆件（含皮带机支腿梁）的轴向拉力。由于笔者能力和水平有限，文中不对与不足之处，恳请同行及前辈们批评指正。

参考文献

[1]北京金土木软件技术有限公司.SAP2000中文版使用指南（第2版）

[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2]文慧波.带式输送机通廊钢结构设计[J].工程设计与研究，2009，12（127）：29-39.

[3]李欣，王燕.钢结构工业通廊设计[J].钢结构工程研究，2008（增刊）：481-486.

[4]付征耀，罗福盛.胶带机通廊系统钢结构设计[J].钢铁技术，2008（1）：37-42.

作者简介：樊正军（1983-），男，工程师。