钢管桁架输煤栈桥结构分析

韩宝峰，吴 静

（太原理工大学结构实验室，山西 太原 030024）

20世纪80年代至今一般采用角钢桁架栈桥。一般地，角钢桁架均采用单轴对称的双角钢截面相比刚管桁架来说不能充分发挥出截面特性，同时加上存在阴角，其防腐费用很高。对于施工来说，现场焊接的工作量大，常有漏焊现象。而空心球钢管桁架凭借钢量节省、安装制作方便、造价低的特点被很多业主及设计单位广泛采用。现阶段对栈桥的设计主要以简化为单榀桁架计算为主，本文主要通过sap2000对某钢管桁架栈桥整体分析与pkpm软件所计算的单榀桁架进行对比。

1 工程概况

根据工艺提供的资料及场地条件限制，栈桥斜向跨度为2.3m×12=27.6 m，坡度为35°。上部设计为沿桁架纵向滑动铰支座用于释放温度、地震及其他偶然荷载作用下产生的位移，下部设置固定铰支座。钢管桁架三维示意图见图1。

图1 钢管桁架三维示意图

2 钢管桁架整体模型分析

选用sap2000分析软件对钢管桁架进行结构整体分析，得到相应内力及结构的整体变形。

2.1 荷载取值

根据输煤系统工艺提供的资料，结合《建筑结构荷载规范》（GB50009—2001）（2006年版），荷载取值如下：

（1）屋面恒荷载：0.5 kN/m2，楼面恒荷载：3.0 kN/m2。

（2）不上人屋面活荷载：0.5 kN/m2，楼面活荷载：4.0 kN/m2。

（3）基本风压：0.5 kN/m2。

（4）基本雪压：0.4 kN/m2。

场地类别为Π类，抗震设防烈度为8度，地震加速度为0.2 g，设计地震分组为一组，抗震设防分类为丙类。

2.2 荷载组合

根据现行荷载规范，本结构荷载基本组合分别考虑了由可变荷载和永久荷载控制的组合，其中，恒荷载分项系数分别取1.2和1.35；活荷载及风荷载分项系数取1.4。对于组合系数，恒荷载取1.0，活荷载取0.7，风荷载取0.6。在地震作用参与的组合中，分项系数取1.3。

2.3 结构内力及变形

2.3.1 结构内力分析

采用sap2000软件对结构进行整体分析。把屋面及楼面恒荷载、活荷载及风荷载按节点力施加在上下弦节点上，采用上述荷载组合对结构整体进行分析得到，结构在基本组合中由可变荷载控制的组合，即1.2恒荷载+1.4活荷载+1.4×0.6风荷载下杆件内力最大。在其组合下结构轴力云图见图2。

图2 最大荷载组合下轴力云图

从轴力云图中可以定向地得到结构下弦受拉、上弦受压；跨中杆件内力最大，这些预期结果和基本力学概念吻合。提取结构内力得到结构在上述荷载组合下上弦最大内力杆件单元为57号，其值为449.52 kN（压力）；下弦最大内力杆件单元为53号，其值为458 kN（拉力）。

2.3.2 结构变形分析

结构整体变形分析见图3。

图3 钢管桁架变形图

从结构的整体变形可以分析出，跨中变形最大。在荷载标准组合:1.0恒荷载+1.0活荷载+0.6X风荷载作用下结构Z向及X向挠度均达到最大，分别为26.04 mm及24.3 mm。在荷载标准组合下结构最大挠度满足小于L/400，满足规范要求。

3 单榀桁架分析

选用结构设计软件PKPM取单榀桁架进行结构内力及变形分析。荷载取值及荷载组合和整体模型中相同，且荷载均以节点力的形式加载到上下弦节点上。

3.1 结构内力分析

把屋面及楼面恒荷载、活荷载及风荷载按节点力施加在上下弦节点上，采用上述荷载组合对结构整体进行分析得到。结构在基本组合中由可变荷载控制的组合，即1.2恒荷载+1.4活荷载+1.4×0.6风荷载下杆件内力最大。在其组合下结构轴力见图4。

图4 结构轴力包络图

对结构取单榀桁架计算结果为上弦受压，在控制组合作用下最大轴力为440 kN；下弦为受拉，在控制组合作用下最大轴力为456 kN。这个内力结构与整体分析结构基本相同。可见，简化模型计算的可行性。

3.2 结构变形分析

对结构单榀计算得到的节点最大挠度为23.12 mm，与整体模型计算结果相比较，挠度值偏小。

4 结论

（1）通常设计中采用上部支座采用沿桁架纵向滑动铰支座，一般为滚轴支座和橡胶垫支座，可有效释放温度及其他偶然荷载作用下引起的位移。

（2）对结构整体进行分析得到的内力比简化分析得到的相差不多，因为整体模型中，考虑了风荷载效应，但水平撑杆具有一定的刚度，分担了单榀主桁架结构内力，所以得到的结构内力及挠度值相差不多，这为结构单榀计算提供了依据。

（3）在风荷载较大的情况下，单取一榀桁架进行分析存在不利因素。

（4）钢管桁架栈桥造型简单，相比角钢桁架栈桥相对经济。最为重要的是钢管桁架栈桥施工方便，但对于下弦暴露于空气中的球节点需要注重防腐。