新环保政策下钢结构通廊设计要点

2021-04-24武雅卿

城市建设理论研究（电子版） 2021年33期

武雅卿

南京广建设计工程有限公司江苏南京 210044

近年来，随着我国国民经济的快速发展，工业企业的规模不断扩大，产能日益提高。这一方面满足了人民对物质文化生活的需求，同时也带来了诸如环境恶化、产能过剩等严重问题。为了解决经济发展过程中遇到的问题，国家制定了严格的环境保护政策，并要求各行各业必须认真贯彻和执行。尤其是在2020年9月22日中国政府向全世界庄严许下碳达峰、碳中和的目标以后，绿色规划、绿色设计、绿色投资、绿色建设的理念被提升到前所未有的高度。这对工业设计提出了更高的要求：不仅要满足安全性和使用性要求，同时也要满足低碳和环保要求。本文以冶金企业中最常见的构筑物——钢结构通廊为例，重点阐述其在新政策、新规范要求下的设计要点，剖析了传统钢结构通廊设计过程中易忽略的问题。

1 通廊荷载的取值

根据《钢铁企业胶带机钢结构通廊设计规范》（YB 4358-2013）的规定，钢结构通廊承受的荷载主要包括工艺荷载、通廊自重、电缆和管道荷载、风荷载、积雪荷载、积灰荷载、均布活荷载、温度作用、地震力等。

对于正常的廊身来说，积雪荷载按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）取值。但当廊身与建（构）筑物相连形成阴角时，应按规范要求考虑积雪的不均匀堆积。其中围护结构、上弦横梁按积雪不均匀分布最不利工况计算；纵向桁架按全跨均匀、不均匀分布、半跨均匀分布三种工况分别计算。

通廊的风荷载可以按照荷载规范来计算，即ωk=βZμsμzω0。其中风荷载体型系数μs按照《钢铁企业胶带机钢结构通廊设计规范》附录之要求取1.7[1]。

传统设计过程中，当通廊高度较小时往往不考虑风振系数βZ。但在国家住建部新发布的《工程结构通用规范》（GB55001-2021）中，第4.6.1条已经明确指出：垂直于建筑物表面的风荷载标准值，应在基本风压、风压高度变化系数、风荷载体型系数、地形修正系数和风向影响系数的乘积基础上，考虑风荷载脉动的增大效应加以确定。其中，主受力结构的风振系数按荷载规范确定，但不应小于1.2；围护结构的放大系数不应小于1+，式中μz为风压高度变化系数[2]。通过对比随机振动理论和荷载规范提供的风振系数法两种计算方法得出的结果，可得到以下结论：随着通廊支架高度的增加，风振系数逐渐变大，但当支架高度为20～40m时，通廊廊身风振系数变化幅度不大，但支架的风振系数变化很明显；B类地貌下，当支架高度大于30m时，采用随机振动理论和风振系数法计算得到的支架风振系数接近，由于支架迎风面积较小，对设计影响有限，故工程设计时可偏于保守考虑，按荷载规范确定风振系数[3]。综合考虑，封闭通廊桁架计算时采用的μz可以取1.2～1.3；支架计算时的μz按荷载规范计算取值，以下给出参考值（仅作用于支架的迎风面上）[4]。

表1 通廊支架风振系数

桁架计算必须考虑横向风对桁架上、下弦杆的影响。如图1所示，在左风影响下廊身受到水平向右的推力，平均分配到上下弦杆上。该推力在桁架弦杆上产生的横向弯矩为。式中：ωk为风荷载标准值，h为通廊迎风面高度，l为通廊跨度。该弯矩对上下弦所在水平面内的弦杆1和弦杆2均产生了一压一拉的效果，两个力大小相同，方向相反，因而构成一对力臂为b的力偶，其大小等于风荷载产生的水平向弯矩。因此可得出通廊弦杆受到的轴向力。当对桁架建模计算时，该轴向力应加在弦杆的两端，如图2所示。

图1 通廊断面图

图2 风荷载作用下HJ1节点受力示意图

当通廊的温度区段划分不满足规范要求，或通廊地处冬夏温差很大的内陆地区时，需要考虑通廊的温度荷载。温度荷载只在计算通廊支架时考虑。根据规范要求：纵向水平推力Pf=3EIΔL/H3，通廊支座处热膨胀值ΔL=KtLjαΔt。其中Kt为保温系数，对封闭通廊来说取0.6；Δt为通廊安装合拢时室外温度与环境极限温度的温差；Lj为温度区段内变形约束中心点至计算支座间廊身水平投影长度；α为钢材线膨胀系数。根据公式可以推断出增加固定支架、避开极限温度环境下安装施工可以有效降低通廊的纵向温度应力。

钢结构通廊的计算包括桁架和支架两部分，都是非常简单的计算模型。在当前计算机模拟技术日臻完善的情况下，只要荷载考虑清楚，结构也就很明确了。

2 通廊的结构布置

胶带机是冶金、煤炭、水泥等行业重要的转运设备，作为其载体的通廊在上述行业的工厂里得到了普遍应用。很多超长超高通廊甚至成为工厂的地标。普通的胶带机通廊跨度大于18m时往往采用钢结构，特别是采用两榀竖直桁架并用支撑将其上、下弦连接成空间结构的通廊更具有明显的优势。凭借自重小、抗震性能好、加工制作方便和安装快捷等特点，钢结构通廊逐渐成为通廊主要形式。按照国家环保政策要求，通廊均应采用封闭式结构。

通廊的结构划分应当在规范许可的范围内，根据工艺需要和建设场地内的总图布置情况综合考虑。通廊支架作为廊身的主要支承结构可以分为单片支架和双片固定支架，其设置应根据通廊相连建（构）筑物的距离以及温度区段来确定。设置单片支架的主要目的是合理划分通廊跨度和传递廊身横向、竖向荷载；除此之外，设置固定支架的另外一个主要目的是保证通廊及其支架和相邻建（构）筑物能够共同形成完整的纵向稳定体系和抗震体系。以此传递纵向力。

对于封闭通廊来说，一个温度区段最长可取180m。因此当廊身长度不超过180m，且一端固定于建（构）筑物上时，可以只设单片支架；廊身超过180m时，按每180m设置1～2个固定支架为宜。两个温度区段之间设置变形缝，缝宽不小于105mm。当廊身与建（构）筑物之间设置变形缝时，通廊端部支座应设在柱子外侧牛腿或附加梁上，不宜伸到建（构）筑物里面；当有坡度的通廊在固定支架上设变形缝时，应当在下端一侧采用滚动(滑动)支座，上端一侧采用固定铰支座。

3 控制用钢量的主要措施

国家提出双碳目标以后，绿色设计被提升到前所未有的高度。在工业设计过程中贯彻低碳、节能的设计理念，其核心思路在于保证相同安全度及使用性的前提下，尽量降低工程造价，减少投资。对于钢结构通廊来说主要是降低用钢量。

根据已有工程经验，当支架间距在20～30m之间时，通廊整体造价最为经济。此时，廊身桁架尺寸和构件大小与通廊支架和基础的数量取得平衡。所以在进行长距离通廊结构划分时，尽量选择24～25m桁架跨度可以节省钢材用量。当廊身较高或基础采用桩基时，跨度应适当加大，最佳方案根据计算结果对比确定。

控制桁架用钢量的主要措施有两点：方法一是让受压杆件强度应力和稳定应力二者同时接近限值，避免出现一大一小；方法二是减少压杆的数量或长度。对于方法一来说，应对策略即为：桁架压杆尽量选用热轧宽翼缘H型钢或双拼格构式构件。而拉杆不受此限制。

通廊桁架腹杆常用的布置方式有人字形和混合式。图3为相同荷载工况下相同跨度桁架的内力计算结果。其中负值为压杆，正值为拉杆。相比于拉杆，由于压杆有稳定性要求，且长细比限值比拉杆小一倍，设计截面可能会比拉杆大很多。因此通过改变腹杆布置方式，减少压杆的数量或长度，让更多杆件变成拉杆，可以在一定程度上降低用钢量。图3中桁架上下弦杆的应力值相差不大，考虑构造要求，相同部位可以采用相同截面构件，因此省钢的关键即为减小腹杆用钢量。由于斜腹杆的长度和应力值都比垂直腹杆大许多，而第三种布置方式可以让更多的斜腹值变成拉杆，为最省钢的一种布置方式。

图3 不同腹杆布置方式下的桁架杆件内力

通廊的走道面传统设计为桁架式，即在下弦横梁之间打上交叉支撑，使其与竖向桁架的下弦杆构成一个水平桁架。鉴于走道面满铺花纹钢板以后，可以认为其平面刚度无限大，可以有效约束竖向桁架下弦杆的平面外稳定，且有很好的抗变形能力，因此如果从省钢的目的出发，可以在保证钢板与下弦杆、下弦横梁、胶带机支承梁连续满焊的情况下，省掉水平支撑杆[5]。

通廊走道面为满铺的花纹钢板。对于胶带机正下方区域，因为无需走人，当积灰荷载较小或可以忽略时，此区域的板底加劲肋可以取消。

通廊的上弦水平支撑通常情况下由长细比控制。但当通廊跨度较大时，端部支撑杆件的应力比可能超限。此时需要对上弦水平桁架进行建模计算，其所受荷载为廊身迎风面水平风荷载的一半。