大跨度钢管球节点输煤栈桥设计

张秀兵

(山西中太工程建设监理公司，山西 太原 030001)

输煤栈桥是煤矿地面生产系统的重要构筑物，通过栈桥内的皮带输送机连接各个生产车间，栈桥跨间承载结构多采用钢桁架或钢梁，栈桥支架一般采用钢筋混凝土支架或钢支架。随着煤炭工业的发展，要求输煤栈桥跨度和宽度逐渐增大，结构形式和材料也多样化，近年来钢管球节点栈桥因经济合理、造型美观、设计施工方便，应用日益广泛。

1 工程概况

某矿2号转载点至火车装车仓栈桥全长1 277.89 m，共25跨，栈桥跨越312国道、泾河、福银高速公路、铁路装车线，地面情况复杂。栈桥跨度主要有42.0 m，50.3 m，59.65 m，69.93 m，其中以栈桥跨度50.3 m为主，栈桥宽度5.6 m。栈桥采用钢管球节点桁架，墙面和屋面用保温夹芯板，楼面用保温钢骨架轻型板，为全封闭式胶带机通廊，达到轻质、保温、隔热的节能要求。建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为6度，设计地震分组第三组，建筑场地类别为Ⅱ类，基本风压0.3 kN/m2，基本雪压0.3 kN/m2，钢管及球节点材料选用Q235B。本文选取一跨59.65 m桁架进行分析，剖面图、截面图见图1。

2 方案确定

通长情况下，栈桥最优跨度一般取30 m～36 m，栈桥高度取跨度的1/10～1/12。因栈桥在平面上与泾河路堤斜交、空间上跨越泾河路堤，路堤上为国道，国道不允许设置支柱，所以两端支架躲开路堤和国道后跨度取59.65 m，另外一侧悬挑4.3 m，也省去四腿支架上部的混凝土工程，方便施工和安装。

栈桥高度若按跨度的1/10～1/12选取，则高度接近5 m～6 m，栈桥的围护及冗余构件将增加、腹杆按长细比控制时截面也增大、经济性差，所以决定采用钢桁架加撑，既保证桁架的刚度，又能减少构件冗余和维护费用，钢桁架结构高度满足工艺要求后取为3.5 m。一般钢桁架加撑都采用下撑，下撑构件主要受拉，比较经济，本工程若采用下撑，为满足国道路面净空和保证带式输送机布置方案基本不变，势必抬高栈桥支架的高度，这样将大幅增加整个工程的费用，所以经过比较试算后决定采用上部加钢管拱，既美观又经济，弧半径取61.0 m，这样整体结构形式为钢管拱—桁架体系。

栈桥采用钢管球节点桁架，弦杆可以根据节间轴力选取不同的钢管截面，又较好的解决了节点连接问题，弦杆材料强度得到充分利用，同时也避免以往弦杆采用角钢或H型钢截面通长设置造成浪费。同时钢管球节点桁架的防锈、防火及后期维护费用较型钢桁架经济。栈桥上下弦平面内水平支撑采用十字交叉钢管，有效提高栈桥水平刚度，同时在竖向吊杆之间增设竖向支撑提高栈桥的空间整体刚度。屋面和楼面支撑梁采用H型钢，按压弯构件考虑，充分发挥H型钢的特性。

3 桁架计算

桁架计算采用迈达斯公司的三维空间软件MIDAS Gen进行空间建模计算分析，并用中国建筑科学研究院的PKPM STS进行比较核对。

3.1 计算假定

假定桁架杆件连接节点为铰接，杆件截面高度一般小于长度的1/10，忽略节点次弯矩。所有杆件竖向荷载作用时按拉杆或压杆考虑，水平风荷载作用时因檩条安装于竖腹杆侧面，所以竖腹杆按拉弯或压弯构件验算。

支座采用板式橡胶支座，构造简单、经济、方便，能够起到很好的隔震、减震作用，同时还能适应钢桁架沿栈桥方向的温度变形，该榀桁架左端取为铰支座，右端在栈桥纵向取为滑动支座。

3.2 荷载及荷载组合

楼面：恒载1.62 kN/m2，活载3.0 kN/m2。

屋面：恒载0.3 kN/m2，活载0.5 kN/m2。

墙面：恒载0.3 kN/m2。

风荷载：1.7(体型系数)×1.14(风压高度变化系数)×0.30=0.6 kN/m2[1]。

地震：本工程抗震设防烈度为6度。按照GB 50191—2012构筑物抗震设计规范第16.2.3条：廊身结构可不进行水平地震作用的抗震验算，但应符合相应的抗震构造措施要求；跨度大于24 m的跨间承重结构，8度和9度时应进行竖向地震作用的抗震验算[2]。

温度荷载：主要以释放为主，设置橡胶支座和滑动支座来释放沿栈桥长度方向的温度变形。荷载组合：按照程序设定并符合建筑结构荷载规范，考虑多种荷载工况组合。

3.3 空间建模

采用MIDAS Gen进行空间整体建模，栈桥拱、弦杆、腹杆、水平支撑、支撑梁、端门架等构件采用一般梁单元模拟，栈桥支座释放梁端约束，钢筋混凝土支架与承台按照嵌固考虑，整体模型见图2。

3.4 自振模态和静力计算

第一振型(如图3所示)为拱和桁架同向平面外弯曲、周期T=0.890 s，第二振型(如图4所示)为拱和桁架沿栈桥纵向平动、周期T=0.567 s，第三振型(如图5所示)为拱和桁架反对称平面外弯曲、周期T=0.426 s，第四振型为拱和桁架反向平面外弯曲、周期T=0.406 s，第五振型为拱和桁架同向平面外弯曲、周期T=0.288 s，第六振型为拱和桁架反对称平面外弯曲、周期T=0.269 s，通过自振模态分析，结构沿栈桥纵向的竖向刚度强于水平刚度，钢桁架横截面为结构薄弱部位应采取构造措施加强。

栈桥在永久荷载和可变荷载标准值作用下跨中最大挠度64 mm，最大挠度与栈桥跨度之比64/59 650=1/932 <1/400；栈桥在可变荷载标准值跨中最大挠度24 mm，最大挠度与栈桥跨度之比24/59 650=1/2 485 <1/500，均满足《钢结构设计规范》附录A.1规定[3]。

钢管拱拱脚位置最大压应力比0.70，桁架下弦跨中的最大拉应力比0.74，钢管拱—桁架的各杆件强度、稳定性、长细比均满足《钢结构设计规范》要求。考虑到钢管拱和桁架的竖向联系吊杆长细比大、刚度较弱，在皮带运行振动或风荷载作用下易发生振动，增设竖向支撑杆件加强吊杆，同时也加强钢管拱—桁架体系的整体协同工作性能。

3.5 核对检查和结果分析

用中国建筑科学研究院的PKPM STS进行平面建模进行分析，栈桥在永久荷载和可变荷载标准值作用下跨中最大挠度62 mm，最大挠度与栈桥跨度之比62/59 650=1/962<1/400；栈桥在可变荷载标准值跨中最大挠度24 mm，最大挠度与栈桥跨度之比24/59 650=1/2 485 <1/500，均满足《钢结构设计规范》附录A.1规定。钢管拱拱脚位置最大压应力比0.67，桁架下弦跨中的最大拉应力比0.68，钢管拱—桁架的各杆件强度、稳定性、长细比均满足《钢结构设计规范》要求。通过比较分析，栈桥内力主要由恒载+活载+风荷载的荷载组合控制，对栈桥杆件进行合理优化后进一步降低自重，栈桥自重控制在82.9 t(不含檩条、夹芯板、钢骨架轻型板)，同时也降低了后期吊装施工的难度，该栈桥已经吊装完成并投运(如图6所示)[4]。

4 结语

受地形、跨度、支架高度限制，栈桥采用钢管拱—桁架体系，使用MIDAS Gen进行空间建模计算分析，分析得出桁架结构的自振模态和薄弱部位、局部采取针对性加强措施，核算杆件强度、稳定性、长细比、栈桥挠度符合规范要求，并对栈桥杆件进行合理优化降低自重，降低安装施工难度。使用空间有限元软件空间建模对非常规结构形式进行分析，确保结构安全和降低工程造价，为栈桥设计积累经验和提供参考。