全封闭煤场大跨度钢结构栈桥的优化设计简介

刘永锋

（华电重工股份有限公司郑州分公司，河南 郑州 450000）

引言

近年来，在电力、钢铁、水泥等行业中，煤、铁精粉、矿石等原料的大批量贮存正逐渐由大直径环保封闭圆形贮料仓结构替代简单的露天堆放形式，随着贮存量的需求不断提升，圆形贮料仓的直径也需要不断加大，从而导致了钢结构进料栈桥的跨度也越来越大，这对设计工作者来说是个必须要克服的难题。

1 工程简介

燃煤电厂建设中，输送栈桥是主要的辅助生产构筑物之一。某电厂工程中，除了圆形贮煤仓之外，在其周边还设有输煤转运站、输煤栈桥等重要建（构）筑物和循环水管等地下管线[1]。贮煤仓的设计堆贮能力201500m3，堆料高度为33.1m，钢筋混凝土圆形料仓直径为120m、挡墙高度为17m，料仓沿圆周均匀的设置扶壁柱。该贮煤仓胶带机进料栈桥总长约101m，其单跨最大达到72m。该输煤栈桥作为煤料的唯一通道，其重要性是不言而喻的。工程情况如图1所示。

图1 120m直径圆形料仓进出仓栈桥布置总图

2 进仓钢栈桥的结构形式和设计优化所采取的具体措施

钢结构栈桥常规设计中，往往存在栈桥体系不十分合理、结构形式粗笨、计算采用平面桁架计算以及用钢量较高等问题，

这种情况下栈桥的整体受力不明确，同时整体美观性也受到一定影响[2]。在本工程中我们针对性地对设计方案做了如下优化处理：

2.1 计算模型的定型和优化

传统的钢结构栈桥计算一般采用PKPM中的STS等进行平面桁架计算，所有的荷载均简化到平面桁架节点上，计算时假定全部构件为轴心受力构件，并且不考虑结构次弯矩对整体结构的影响，因此计算模型存在一定的缺陷[3]。本工程计算模型采用空间三维整体建模，忽略各节点处的转角约束，将栈桥自重和外部荷载转化为节点荷载添加在栈桥沿线；由于该栈桥跨度较大，为了保证其各个方向的稳定性，在桁架的上平面和下平面均设置了连接横梁及水平支撑，连接横梁同时作为承担附属结构的主构件。

本工程中钢栈桥距地面较高，考虑到减少风荷载和地震荷载对栈桥本身的不利影响，设计中在钢栈桥的横向断面适当高度处设置了横向立面支撑体系，大大加强了栈桥的整体抗侧稳定性，详见图2。

图2 钢栈桥横向布置图

2.2 钢栈桥所要考虑的荷载类型

任何建构筑物都必须保证在其结构的正常使用周期内，具有足够的承载能力。作为结构计算的基本信息，在该栈桥计算参数的输入中考虑了以下几种荷载类型：恒荷载12kN/支点（计算软件自动考虑栈桥本身的自重，放大系数取1.2）；栈桥顶面活荷载0.5kN/m2；栈桥楼面工艺活荷载4kN/m2（竖向荷载中对栈桥影响最大的）；风荷载基本风压值0.45kN/m2；属于B类地区；基本雪压值0.4kN/m2；地震荷载按照7度设防，II类场地土，采用振型反应谱法；荷载组合采用自动组合。

2.3 钢栈桥的空间布置

进料胶带机结构主要包含桁架、支柱以及附属结构等。在仓外设置一个固定支柱用以承担桁架的竖向力和水平方向的力。钢栈桥与仓内中心立柱顶和仓外转运站相搭接，并且搭接处采用滑动支座以减少栈桥对中心立柱和转运站的不利水平作用力。由于栈桥离地面很高且栈桥迎风面很大，因此栈桥所受风荷载很大，这样导致了固定支架产生巨大的上拔力，对基础影响比较大。为此，在设计中将固定支柱横向柱脚间距做了适当扩大，从而有效降低了基础的上拔力，较好解决了基础因为受力较大而难于设计的问题。

由于在栈桥内部要进行胶带机的零部件检修和维护等工作，必须要留出足够的人员通行和设备施工空间，不便于设置横向大角度交叉撑，因此，我们考虑在每组竖腹杆之间一定的高度处设置了由小型钢组成的横向钢片，这些横向钢片提高了整个栈桥的横向抗侧刚度，有效减小了栈桥的横向位移。

栈桥整体采用平行弦式结构，纵向弦杆采用H型钢，端部框架也采用H型钢，水平支撑采用方钢管，栈桥两侧面斜腹杆采用方钢管、对称布置，钢支柱及柱间支撑采用焊接圆管。

2.4 设计过程中所采用的各种优化措施

2.4.1 连续桁架的优势和选用

国内多数的钢栈桥设计都是简化为平面结构计算，这种设计方法忽略了次弯矩的存在，未能使每个组成构件充分发挥其本身的材料特性，故与实际存在一定的偏差。该项目采用了连续桁架形式，栈桥弦杆和腹杆杆件内力比着简支桁架普遍能小20%～30%，直接反映在构件上就是截面有所减小。这表明，连续桁架能够使得桁架内力在主弦杆和腹杆间进行重分配，改善了受力形式，每个构件均能协同工作，节省了用钢量，节省了项目成本。

2.4.2 钢桁架的桁高选取

国内常见的栈桥高跨比一般定为1/12～1/10，而该栈桥取为了h/l=1/15；栈桥高度在满足工艺胶带机净空要求的前提下设置了横向桁架，大大改善了横向刚度，使结构侧向变形减少；弦杆的间距一般取为3m，按照《钢结构设计规范》“当杆件为H型、箱型等刚度较大的截面，且在桁架平面内的杆件截面高度与几何长度之比大于1/10（对弦杆）或大于1/15（对腹杆）时，应考虑节点刚性所引起的次弯矩”[4]，对此在空间分析中，我们将弦杆设计为“拉压弯构件”以及节点板设计为半刚性节点来考虑次弯矩的影响，这样的设计更加合理。

2.4.3 栈桥楼面选型及结构设计

通常情况下，大跨度钢栈桥楼面所选用的是底模为1.2mm厚的压型钢板的混凝土楼面，造成楼面自重大以及钢耗量比较大。在本工程中，钢栈桥下平面距地面约39m，如采用常规的浇筑混凝土的工艺，势必要相应加大对工艺和设备的要求，同时也会大大增加人力、物力成本。因此为施工方便考虑，本次工程中将楼面材料改用为满铺6mm厚的花纹钢板，采用现场焊接方式进行施工。这种楼面形式自重小，仅为混凝土楼板的1/5，下部桥体的耗钢量也随之降低，且现场安装简单，不需要大型设备，施工现场整齐有序、时间短，比混凝土桥面节约一半的施工时间[5]。

3 优化设计产生的技术经济效益分析

工程实践中，在首先保证结构受力合理明晰、满足实际使用要求、施工方案安全可行的前提下，经济性是必须要重点考虑的因素。本工程对比采用了连续桁架方案，使得桁架内力在主弦杆和腹杆间进行重分配，改善了受力形式，每个构件均能协同工作，节省了用钢量，节省了项目成本。

在设计中，将固定支柱横向柱脚间距做了适当扩大，从而有效降低了基础的上拔力，较好解决了基础因为受力较大而设计成大尺寸、深基础的难题，相应节约了基础混凝土的用量。

常规设计中，栈桥高跨比一般取为1/12～1/10，而本工程取到1/15，在保证工艺合理要求净空的前提下，使得栈桥高度由6m减小到了5.15m。材料成本在钢结构主体建设工程当中往往占了最大比重，该项目通过合理的设计优化栈桥高度，相应减少了腹杆的用钢量，为项目节约了材料成本。

由于进仓钢栈桥的大部分都位于仓体内部，我们针对性地折减了附属结构自重和风荷载的作用，使得栈桥受力更接近实际情况，同时也相应～减小了对中心立柱和转运站的搭接作用力。

4 结论

在实际分析设计中采用Staad Pro三维软件进行整体分析，将弦杆设计为“拉压弯构件”以及节点板设计为半刚性节点来考虑次弯矩的影响，更真实的反应了桁架的实际受力状态，确保了栈桥设计的安全性、适用性、经济性以及合理性。

在满足工艺空间要求的前提下，我们在大跨度栈桥横向的上部补充设置了平面桁架，增强了桁架本身的抗扭刚度，减小了栈桥的整体侧向位移。同时减小了腹杆的计算长度，对整体的结构受力有很大的改善，相应的也减少了工程量。

为减小风荷载对栈桥柱底的不利影响，设计中适当增大了支柱横向柱脚间距，减小了对于基础的上拔力，节约了基础混凝土的用量，取得了一定的经济效益。

钢结构楼面由传统的钢模板加混凝土层组合方式调整为花纹钢板形式，大大减轻了作用于栈桥下平面的恒荷载，更加能够有效减小栈桥弦杆截面，降低用钢量，使得项目取得了较好的经济效益。

优化后的贮煤仓进仓钢栈桥，不仅满足了工艺等专业的功能上的各项要求，同时也节约了材料成本，取得了较好的技术经济效益。本文针对日益增加的大跨度钢栈桥设计，结合实际项目，总结提出了一些设计经验，可供设计工作者参考。

[1]陈正彬.火电厂全封闭煤场大跨钢结构栈桥优化设计[J].武汉大学学报（工学版），2010（S1）.

[2]李玉兰.钢结构栈桥设计中的一点体会[J].煤炭工程，2005（9）：15-16.

[3]姜云莆.漳州后石电厂全封闭圆形煤场大跨度进仓栈桥设计简介[J].四川建筑，2002（22）：51-53.

[4]GB5007-2003 钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[5]徐芸.90m直径圆形贮煤仓进煤大跨度钢栈桥设计优化[J].武汉大学学报（工业版），2007（40增刊）.