桁架式钢通廊结构设计分析

裴 阳 李运军 李晓春 王东征

（1.中建材（合肥）钢构科技有限公司，安徽 合肥 230041；2.合肥水泥研究设计院有限公司，安徽 合肥 230041）

0 引言

通廊是工业生产中不可缺少的一部分，常用来安装胶带输送机进行物料的输送，因此通廊也被誉为工业生产的“生命线工程”[1]。根据材料不同，通廊分为混凝土通廊和钢结构通廊，由于钢结构自重轻、强度大、施工方便，使得钢结构通廊在长距离运输、大负载以及跨越地面障碍物方面具有较大的优势，因此钢结构通廊也更加广泛地应用于实际工程中[2-4]。本文结合实际工程，对桁架式钢结构通廊的结构设计进行分析。

1 工程概况

某水泥厂位于安徽省阜阳市颍上县境内，厂区内规划新建一座熟料堆棚，该堆棚跨度为60m，长度为150m，总建筑面积约9000m2。堆棚采用钢网架屋面，周边柱点支撑，柱距为7.5m。堆棚中部设有两条胶带输送机通廊，宽5m，沿纵向通长布置，共分为5跨，每跨30m，置于混凝土框架上。

该通廊主要用于输送熟料，其宽度除去胶带机宽度，还在两侧留出了供设备检修的人行通道。胶带机的宽度规格较多，而人行走道的宽度应不小于800mm[5]。通廊的净空高度和倾斜角度亦应满足工艺的要求，本通廊为水平式，无倾斜，见图1所示。

图1 熟料堆棚剖面图

2 结构设计

通廊采用平面桁架形式，由两榀平行的竖向桁架以及桁架间的横梁、水平支撑等共同组成空间结构，再与两端刚架相连，形成稳定体系。桁架上弦横梁可搭接屋面檩条和彩板，下弦横梁可搭载胶带输送机，上下弦横梁一般与桁架节点做成铰接连接，在竖向荷载作用下，可看作简支梁计算，同时横梁也可作为系杆增大桁架平面外刚度，增强结构整体性，桁架节点则采用节点板焊接。

2.1 钢桁架设计

对于平面桁架，在设计中通常假定为铰接结构，假定在节点处的所有杆件轴线在同一平面上相交于一点，且按照理论铰接点考虑，其所受荷载也假定均作用于节点处（如弦杆节点之间有荷载，需将其分配到相邻节点上），杆件仅受轴力作用，因此桁架结构能够比较充分地发挥材料的性能，有利于节约材料，减轻结构重量。

桁架一般上弦受压，下弦受拉，腹杆连接上下弦杆，一般为受拉、受压相交替，使得整个桁架结构形成类似于梁式受弯，因此桁架可近似看成空腹式高截面梁式结构。上下弦杆常采用双角钢、H型钢、方钢管，腹杆常采用双角钢、圆钢管、方钢管，端部钢架常采用双槽钢、焊接工字钢、H型钢[6]。

2.2 荷载及边界条件

钢桁架设计所考虑的荷载主要有恒荷载、活荷载、风荷载以及地震荷载[7-9]，由于该项目位于水泥厂内，根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012，还要考虑灰荷载。

恒荷载：包括上弦恒载和下弦恒载。上弦恒载为屋面檩条、彩板以及上弦横梁、支撑等的自重荷载，其中檩条彩板的自重荷载取0.2kN∕m2。下弦恒载主要是胶带机支腿的集中荷载（胶带机、物料等的自重）以及下弦横梁、支撑、走道板的自重荷载。

活荷载：包括上弦活载和下弦活载。上弦活载为屋面活荷载，按现行荷载规范屋面活载取0.5kN∕m2，下弦活载为走道板的人员荷载，按规范取2.0kN∕m2。

风荷载：包括横向风载和纵向风载。通廊一般纵向跨度较大，刚度大，因此在设计中可不考虑纵向风载。横向风载主要由桁架水平支撑承担，最终传递至桁架端部刚架。该工程根据荷载规范取基本风压为0.4kN∕m2。

地震荷载：通廊属于构筑物体系，一般按照构筑物抗震设计规范进行抗震设计。该工程所在地抗震设防烈度为6度，暂不做抗震分析，仅按照抗震规范采取相应的抗震措施。

灰荷载：按荷载规范取值，对于水泥厂区域取0.5kN∕m2。

桁架式通廊支座一般为铰接支座，当通廊跨度过大时，可采用一端铰接一端滑动，该工程通廊跨度为30m，因此选择一端铰接，一端滑动的支座形式。

2.3 建模计算

选用PKPM软件进行钢桁架的模型计算，该工程通廊共5跨，每跨构造一致，因此只选取一跨进行计算即可，具体如下：

（1）确定合适的桁架几何尺寸，并对单跨桁架进行分段。该工程桁架分为6个节间，中部节间为5m，端部节间为4.8m（扣除支座间距），高度为6.34m（以较高榀桁架为实例），设置边界条件为一端铰接一端滑动，如图2所示。

图2 桁架模型示意图

（2）选取相应的截面，该工程上下弦杆选用H型钢，腹杆选用圆钢管，杆件材质均设为Q235B，桁架受压杆件长细比取150，受拉杆件长细比取250。此外，考虑到桁架节点处易出现负弯矩，因此对材料强度进行折减，该工程折减系数取0.9。对桁架上下弦节点施加集中荷载进行计算，根据计算结果，调整截面大小，桁架各杆件截面如表1所示。

表1 桁架杆件信息表

3 验算分析

取一跨通廊结构进行整体验算，在3d3s软件中建立空间计算模型如图3所示，根据上述计算所得赋予截面属性、施加荷载及边界条件，对结构的空间受力进行验算。

图3 空间计算模型

在各工况组合作用下，结构最大应力为206.8MPa，位于桁架斜腹杆Ф102×4.5 处，小于设计强度应力值235MPa；结构整体应力比分布如图4所示，由图可知大部分构件应力比控制在0.9以下，主要集中在0～0.3范围内，表明结构安全储备较大，整体安全性较高。

图4 杆件应力比分布图

通廊竖向最大位移出现在内侧桁架下弦中间节点处，位移值为30.6mm，如图5所示。钢桁架竖向位移按永久和可变荷载标准组合计算[10]，应不超过L∕500=29600∕500=59.2mm（L为通廊桁架跨度），且桁架在加工过程中会通过预起拱消除施工误差和后期环境影响，因此结构变形满足要求。

图5 竖向位移图

4 结束语

本文通过PKPM软件进行钢桁架结构的建模，考虑各项荷载组合以及相应的边界条件，计算选取合适的截面，再通过3d3s软件进行空间建模并做整体分析，结果表明各单元应力均小于设计强度应力值，应力比控制在0.9以下，结构竖向挠度也在规范允许范围内，因此设计合理，也表明采用该方式进行钢结构通廊的设计较为安全可靠。相信该工程的设计分析能够为今后同类型的工程项目提供参考。