大跨度钢栈桥结构在采煤现场的设计应用

郭涛

（中煤西安设计工程有限责任公司，西安710054）

1 引言

通常在煤矿地面建筑的设计中，皮带栈桥是连接驱动机房、筛分车间、原煤仓、产品仓及储煤场等建构筑物的输煤功能性构筑物。输煤栈桥在煤矿开采现场作为运输各级煤料的输煤结构，起到了调节、运转煤资源的作用。在结构选型方面，一般垂直高度不大于5m 的栈桥通常可采用砌体结构的形式，垂直高度在5～10m 的栈桥可采用钢筋混凝土框架结构，而垂直高度大于10m 时，通常会采用钢桁架的结构形式。钢桁架具有自重轻、施工周期短、受力明确以及更符合力学假定等优点。在现代煤矿地面建筑设计中，钢桁架在皮带栈桥的运用越来越广泛。

钢桁架常采用的跨度在20～40m，30m 跨度的钢桁架采用频率尤其之多。随着选煤工艺的不断发展，为寻求更多的经济效益，选煤工艺要求产品煤的种类更为细化，种类更多，对输煤栈桥的要求也在不断提高。现在的栈桥由传统的单皮栈桥不断发展到双皮带、多皮带栈桥，栈桥的跨度也在不断扩大。

2 钢输煤栈桥的结构组成

钢输煤栈桥的结构主要由2 大部分组成：钢桁架通廊和钢支架。钢桁架栈桥的主体构件是由上弦杆、下弦杆、腹杆、上下弦水平支撑、端部门架等构件铰接组成的静定桁架结构，并设有走道板和围护结构；钢支架可采用框架结构或格构柱结构。

3 钢桁架栈桥的设计

3.1 工程概况

本工程是某煤矿筛分车间至1#转载站的输煤栈桥，受当地地形限制，需要跨过当地村民祖坟，栈桥必须设计为大跨度才可满足实际的建设要求。因此，设计过程中将此跨定为51m的钢桁架栈桥。

3.2 桁架结构体系的合理布置

首先，为了保证栈桥在实际工作中的整体稳定，桁架的高跨比一般取1/8～1/12，就本工程而言，因跨度大，按此高跨比取值，桁架的高度在4.3～6.4m，如此取值高度过大，所以，设计时考虑采用在桁架跨中下弦杆拉应力产生较大的区域设置下拉杆，以减弱作用在桁架上的荷载对桁架杆件产生的内力。在设置下弦拉杆后，主桁架及下弦拉杆的高度均取3.3m；在宽跨比方面，大跨度桁架栈桥也应具有足够的侧向刚度，以保证在横向风荷载的作用下，不会在横向产生过大的变形，因此，宽跨比也有限值，一般情况下宽跨比在1/10～1/12，本工程宽4.4m[1]。

桁架由于跨度大，工作中杆件会产生较大的内应力，因此，上下弦杆及下弦拉杆均采用国标HW250mm×250mm 型钢，腹杆采用常用的双L 角钢布置。桁架的上下弦水平支撑因需要起到承担栈桥受到的横向风荷载及提高桁架平面外刚度的考虑，故通常采用单角钢X 交叉布置。桁架两端门架采用H型钢作为门架柱和门架梁。桁架最终布置如图1 所示。

图1 51m桁架结构布置形式

3.3 钢支架设计的要点

3.3.1 钢支架

首先，作为钢桁架的支撑结构，考虑到桁架传至支架顶端横向风荷载的影响，钢支架在设计时需考虑宽高比的要求，一般情况支架的宽高比不宜大于1∶6。其次，钢支架在现场场地条件满足的情况下，可选择采用四柱框架结构形式。此形式在纵向和横向刚度都能得到良好的保证[2]。若条件不允许，亦可采用格构柱的形式进行设计。

3.3.2 钢支架基础

设计钢支架基础时，应考虑抗倾覆和抗滑移设计。进行地基承载力计算的同时，还要考虑地基变形的验算。当基础采用桩基时，钢支架传至基础的水平力和弯矩均较常规构筑物要大些，所以，在设计过程中，桩基在满足单桩竖向承载力的同时，还要满足单桩水平承载力和抗拔承载力的要求。

3.4 钢桁架设计的要点

3.4.1 钢桁架杆件

钢桁架从力学特点方面来说就是格构梁，桁架的各个杆件之间通过铰接连接形成稳定的静定结构。各个杆件在理想状态下仅受沿杆件轴向的拉应力。

在钢桁架设计过程中，杆件首先需要满足稳定设计的构造要求，其中最主要的指标就是长细比的满足。GB 50205—《钢结构工程质量验收规范》中7.4 节有过规定，受压构件的长细比允许限值为1/150，受拉构件的长细比允许限值为1/300。设计桁架时，选择满足长细比要求的杆件进行建模布置[3]。

在常规跨度的桁架设计中，杆件的强度计算应力比通常控制在0.9 以下，但大跨度栈桥由于跨度大，在实际工作中会因温差的原因产生较大的温度应力，横向风荷载、水平支撑对桁架产生的支撑反力也较大。因此，在设计大跨度栈桥时，杆件的强度计算应力比应控制在0.8 或0.85 以下较为安全。

3.4.2 支座设计

钢桁架受地震力、温度应力或其他荷载的作用，会在桁架两侧产生纵向水平位移变形，故而在桁架设计时，会在钢桁架两侧设置支座（高端为滑动支座释放变形位移，低端为铰支座），整个钢桁架形成简支静定结构。

铰支座一般满足压应力的设计要求即可；滑动支座在满足压应力要求的前提下，应注意滑动行程间距。可根据当地温差和钢材线膨胀系数确定滑动的行程间距。

3.4.3 局部细节设计

大跨度桁架由于跨度大，设置在桁架两端的门架对桁架跨中的横向扭转的约束会随着跨度越大而变得越弱。为了保证大跨度桁架跨中不会产生大幅度扭转变形，要提高整个栈桥在横断面上刚度。通常可采用在桁架直腹杆和上弦横梁夹角处设置隅撑，使局部形成稳定的三角形稳定节点，从而提高桁架在横断面方向的刚度，减弱扭断变形对桁架的影响。

大跨度的桁架在设计时，由于桁架高度较常规桁架要高，在设计时，为了各个杆件能更好地发挥各自性能，桁架直腹杆和斜腹杆、上下弦杆和斜腹杆的夹角取40°～50°为宜，并在满足夹角的前提下，节点间隔划分尽量取偶数，也有利于整体桁架的内力分布[4]。下弦杆与下弦横梁的连接通常采用的是螺栓连接，为了桁架轻量化，桁架选取的杆件翼板较薄，而下弦杆与下弦横梁连接处会受到栈桥走道板传来的比较大的集中荷载，为了保证下弦杆和下弦横梁的局部刚度，下弦杆和下弦横梁都需要加设加劲板以加强局部刚度。

4 结语

随着煤矿建设规模的不断扩大，开采产能的不断提高，对地面生产工艺的要求不断革新，促使地面构筑物的设计难度也不断变大。大跨度的皮带走廊应用也越来越频繁，本文通过对大跨度桁架在合理布置、支架基础、钢桁架杆件、支座及局部细节等几个方面进行论述探讨，简单说明了栈桥设计应用的需要考虑的内容。后续，在设计工作中笔者还将不断总结完善大跨度栈桥的设计要点。