试论大跨度钢桁架带式输送机的栈桥设计

马琴

摘 要：大跨度钢桁架带式输送机栈桥是煤炭矿井以及大型电厂等工业场地中十分重要的构筑物，随着社会的发展及煤炭自动化运输的需求，钢栈桥的跨度越来越大，然而，我国针对其相应的设计规范并没有进行统一编制和规定。文章通过对某煤矿钢结构栈桥选用平行弦桁架和下撑式桁架进行综合的技术、经济比较和研究，认为封闭式大跨度钢栈桥选用平行弦桁架较为合理。

关键词：输煤栈桥；大跨度；钢桁架；结构设计

中图分类号：TU391 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）28-0102-03

引言

在煤炭矿井、洗煤厂以及大型电厂等工业场地的构筑物当中，栈桥在整个内部运输系统当中发挥着极具重要的作用，是整个运输系统的重要组成环节；尤其是其内部相应的带式输送机更是作用巨大，其能够将矸石、块煤及原煤等所需原料，运送至主厂房及破碎车间等建筑物当中，使其进行储存及洗选操作。依据栈桥廊身在结构形式上的差异，可将其划分为钢与钢筋混凝土的组合结构、钢结构、砖石结构以及钢筋混凝土结构等。随着这些年工业现代化步伐的加快，钢结构栈桥受到广泛重视和应用，其自身具有重量轻、造型美观、抗震性较好及跨度大等特点，尤其是在那些较长距离运送的状况下，大跨度钢桁架栈桥的应用更为广泛。

本文以某煤矿工业场地内新应用的输煤系统栈桥为例予以研究分析。输煤栈桥结构安全等级二级，耐火等级二级，屋面防水等级为三级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，地震加速度0.05g，所属的设计地震分组为第三组。结构设计的使用年限是50年。栈桥为全封闭的单皮带机钢结构栈桥，胶带机支腿中心线距离为1.69m，栈桥桥体宽度为3.6m。此栈桥距地面的最大高度为58m，最小高度20m，爬升高度为38m。本文选取输煤系统栈桥中一跨度为44m栈桥进行讨论。针对大跨度栈桥采用不同结构形式进行比较分析，并对大跨度钢桁架栈桥的施工时制作安装等方面做出阐述，并最终实现最优的桁架结构设计。

1 栈桥结构形式分析

针对当前我国大跨度输煤栈桥来讲，其在具体的结构形式上，通常情况下采用钢桁架结构，此种结构形式在具体应用经验上已经比较成熟，而采用封闭式的栈桥在实际当中更为合理，其不仅对于承受荷载具有突出的作用，并且对整个封闭体系来讲，钢桁架提供了牢固的骨架支撑。桁架上下弦多采用等肢双角钢或H型钢，桁架腹杆一般采用双角钢或双槽钢。桁架的节间长度应根据桁架的高度、楼板的跨度以及腹杆的角度来确定，一般3m左右较为合适。桁架节间数尽量布置成偶数，当不能布置成偶数时，中间可采用交叉斜腹杆；端部斜腹杆应下斜至栈桥支座方向受力较合理。桁架的高度一般为桁架跨度的1/12～1/5。桁架弦杆和腹杆之间的夹角应控制在35°～55°。承重桁架所受竖向荷载主要为通过横梁传来的楼面及屋面荷载和支撑的自重以及部分屋面有轨道吊车的吊车荷载。内力分布为上弦杆受压，端部压力较小越往中部压力越大；下弦杆为拉压共存，端部受压中部受拉，端部及有下撑处连接腹杆受力大于其他腹杆。水平荷载对水平支撑桁架弦杆的作用力应作为附加荷载加载到承重桁架上，按照工程实际经验，该附加荷载占总竖向荷载作用力的15%左右，在截面余量远大于15%的情况下可不另外计算。栈桥常见跨度一般为25～35m，主要采用三角形梁式桁架。其优点是弦杆的规格数量不多，不支撑横梁的竖杆只起到支撑弦杆的作用，内力为零；支撑横梁的竖杆承受局部荷载，内力极小但截面相同。当栈桥跨度大于40m时，采用三角形梁式桁架就不显得经济实用，应采用带下撑式钢桁架结构。这种桁架跨度可限制在100m以内，属于一次超静定结构。当跨度再加大时，就需要采用预应力桁架了，否则一般的梁式桁架的高度不能满足要求。

在进行常规设计当中，桁架结构被看做是镂空的简支梁，轻巧简单，从力学方面分析，桁架结构与简支梁的弯矩图相似，上下弦杆的轴力分布均匀，上弦杆受压，下弦杆受拉，共同作用抵抗弯矩作用。桁架在具体的结构形式上主要包括两种，分别为下撑式和平行弦式。当采用平行弦桁架时，其相应的支座主要在下弦两端节点位置处。对于平行弦桁架来讲，在桁架平面高度范围之内，可将其作为围护结构相应的侧墙骨架，外侧掛檩条即可成为墙面；当采用下撑式桁架时，其相应的支座主要在上弦端节点位置处，其优点不仅是桁架自重有利于结构的整体稳定，而且从受力途径上讲，下撑式桁架的结构简图与梁构件的弯矩包络图较为接近，因此在受力方面也更为合理。对于下撑式桁架来讲，其缺点也显而易见，即比较适用露天结构，针对本项目的设计栈桥上部结构，考虑在下撑式桁架上部做门式刚架结构，一方面为了做到栈桥的围护，另一方面采用门式钢架用以达到节约钢材的目的。为保证桁架的整体稳定，在桁架的两端设置较强的门形刚架。而对于桁架的支撑体系，在桁架上、下弦平面内沿全长设置纵向和横向水平支撑。

2 计算荷载取值

本次栈桥设计的活荷载按照《洗煤厂建筑结构设计规范》GB50583-2010及《建筑结构荷载规范》GB50009-2012（以下简称《荷载规范》），栈桥活载荷载取值如下。

《荷载规范》第5.3.3规定不上人屋面活荷载可不与雪荷载和风荷载同时组合，此处基本雪压低于基本风压，因此本次设计时活载组合考虑屋面活载和风荷载的组合。

栈桥恒荷载取值如下：（1）屋盖为100厚岩棉夹芯板及檩条其标准值为0.35kN/m2。（2）墙面为100厚岩棉夹芯板及檩条其标准值为0.35kN/m2。（3）楼面为70厚砼和波高为130mm压型钢板组成的组合楼板，折算自重标准值为3.38kN/m2。（4）钢结构构件自重由计算软件《钢桁架计算程序》自行进行计算。

桁架结构及其支撑受力计算时将上述面荷载转换成对栈桥节点的集中荷载，输入《钢桁架计算程序》PKPM软件中的STS钢桁架模块，就可以得到相应的计算结果。

3 平行弦桁架设计endprint

本次讨论跨度为44m钢桁架栈桥，其最高处距地面高度为20m。设计初步确定桁架结构高度时，可按照1/10～1/15的相应跨度进行确定，通过对建筑的使用要求及外形美观在工程当中的实际应用，本次设计采用矢高3.5m。桁架计算简图如图1，工程现场倾斜度为6.2°。

为承受水平荷载，并保证栈桥的整体稳定，需要设置栈桥的支撑体系。本工程栈桥桥体水平支撑的设置如下：在桁架上弦和下弦平面内，分别设置横向水平支撑，间距为2.5m，总共为18跨；且每间隔2.5m，在两榀钢桁架之间上下弦处各设置17道水平横梁，上弦支撑平面水平横梁之间设置K型角钢支撑；下弦支撑平面水平横梁之间设置通长系杆且在桁架两端及中部设置交叉支撑，以此达到对栈桥底板以及走道板进行支撑的效果。为保证栈桥的整体稳定，根据在桁架两端位置处设置门形钢架。桁架的支座按照一端为滑动支座另一端为固定支座进行设计。通过《钢桁架计算程序》（PKPM-STS）的钢桁架模块。考虑到桁架上下弦平面内水平支撑的重量没有输入到模型中，因此桁架设计时按照强度计算应力比限值0.85，稳定计算应力比限值0.85进行考虑，留出一定的富余量。钢桁架模块建模计算并优化后：上下弦采用H400X250X10X16；端门架采用HW300X300；斜腹杆最大杆HW200X200，最小杆HW125X125；竖杆HW100X100。水平风荷载由桁架上下弦平面内横向水平支撑承受，设计水平支撑时考虑建模计算。上弦平面内横向水平支撑采用HW125X125间距2.5m，K型支撑L63X4间距2.5m。因桁架下弦平面不仅承受水平风荷载同时支撑着组合楼板，所以下弦平面内横向水平支撑采用工25a间距2.5m，保证栈桥纵向稳定，在栈桥中部设置纵向通长系杆L50X4，栈桥两端及中部设计交叉支撑2L50X4以保证其稳定。

4 下撑式桁架设计

同样以跨度为44m钢桁架栈桥为例，为了保证桥体的封闭，在下撑式钢桁架上部设置用钢量较省的门式钢架结构。共计设置19榀门式刚架间距2.5m，其中栈桥两端设置较强门型刚架。桥体宽度与平行弦桁架栈桥相同均为3.6m。设计下撑式桁架结构失高时，考虑其受力特性及经济性采用3.5m。下撑式桁架计算简图如图2，工程现场倾斜度为6.2°。

采用下撑式桁架，其上弦平面支撑上部整个结构体系，因此在桁架上弦平面内，分别设置水平支撑，间距为2.5m，总共为18跨：每间隔2.5m，在两榀钢桁架之间上弦处设置17道水平横梁，将纵梁在水平横梁间进行设置，并设置角钢交叉支撑间距为5.0m，以此达到对栈桥底板以及走道板进行支撑的效果。在下弦平面内，设置横向水平支撑间距2.5m，交叉支撑间距22m。在桁架两端位置处设置门形钢架。桁架的两端支座按照一端为滑动支座另一端为固定支座设计。经核算上部门式刚架梁柱截面均为[]14a对焊。将门式刚架传来内力，并将屋面、楼面及墙面的面荷载转换成对下撑式桁架上弦节点的集中荷载，通过将其输入至《PKPM计算程序》STS中的钢桁架模块，进行计算并不断优化设计结果后：上弦采用HM340X250，下弦采用H600X250X10X16；端门架采用HW300X300；斜腹杆最大杆HW175X175，最小杆HW125X125；受压竖杆HW150X150，其余竖杆取HW100X100；上弦平面内横向水平支撑采用HN300X150间距2.5m，交叉支撑L63X4间距5.0m。下弦平面内横向水平支撑采用工20a间距2.5m，交叉支撑L50X4间距5.0m保证栈桥纵向稳定。桁架上部门式钢架梁柱均选截面为[]14a对焊，屋面及柱间交叉支撑均为L63X4。

5 两种桥体结构经济对比

将跨度为44m的单皮带机带式输送机栈桥分别采用平行弦钢桁架及下撑式钢桁架进行方案比较，对比其所存在的经济性。本次设计中的檩条、夹芯板、组合楼板对于两个方案来讲用量相同，故不列入表中。经笔者核算统计后，两种结构的钢材用量比较见表2。

按照每吨钢材的制作与安装花费5600元考虑，平行弦桁架比下撑式桁架总造价节约1.87万元，节约率为9.6%。通过对比可知，本次44米跨度的封闭式带式输送机栈桥采用平行弦钢桁架结构较为经济实用。前文提到的下撑式桁架结构图和弯矩图接近的这个优点因为上部门式钢架的用钢量消耗，整体优势不存在。但是从单榀桁架制作安装来说，平行弦桁架耗钢量比下撑式钢桁架多8.3%。因此当栈桥为露天栈桥时，相同跨度的钢桁架，下撑式结构受力更合理，采用下撑式钢桁架耗钢量较少，优势较为明显。

6 钢结构制作安装及施工要求

大跨度钢栈桥相比普通栈桥来说，施工要求更为严格。大跨度钢栈桥安装过程中，高强度螺栓连接之处的构件接触面需要进行喷砂处理，接触面抗滑移的系数应≥0.45；钢结构制作、安装及验收不仅要满足设计图的要求，同时还需要满足《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）的要求；所有构件长度及支座底的标高都主要进行现场实际放样，确定尺寸无误之后才可以进行加工支座。桁架需采用节点板来进行连接，腹杆间的净距应≥15mm，节点板边距同腹杆轴线的夹角应≥20°。大跨度钢桁架桥梁中的普通螺栓需满足如下要求：C级螺栓的性能等级需要达到4.6，锚栓的等级应为Q345-B；高强度螺栓需要满足：10.9级螺栓，摩擦型的高强度螺栓其摩擦系数应≥0.45。大跨度钢桁架桥梁中的焊条、焊丝、钢材、连接材料、涂料、底漆、螺栓、面漆等都需要附有相应的质量证明书。本工程平行弦桁架结构、端部门架及支撑等材质均属于Q235B；下撑式桁架除下弦杆采用Q345B外，其余构件材质均属于Q235B。结构材料的性能不仅要符合《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-1994）的规定，还要符合GB/T700-1988规定，并还要满足《建筑抗震设计规范》中的要求。

为改善外观和符合使用条件，施工大跨度钢结构桁架时，跨度大于24m的栈桥在钢结构拼装时应预留一定的起拱量，一般可取为恒载标准值加1/2活载标准值所产生的挠度值，也可根据实际需要而定，业内通常做法是对于跨度大于等于24m的梯形或平行弦桁架，起拱度可取为栈桥跨度的1/500。

7 结束语

当前我国对煤炭资源进行了整合，小煤矿逐渐取消，矿井多建设至山区，需要跨越河流、铁路等，受场地限制，栈桥跨度越来越大。本文通过对封闭式大跨度钢桁架栈桥上述两种结构进行分析和比较可知，对于大跨度带式输送机封闭栈桥来讲，其采用平行弦钢桁架结构在经济方面有一定的优势。通过对单榀钢桁架用钢量的比较，说明下撑式钢桁架耗钢量较省，因此在不需要封闭的露天栈桥中，下撑式钢桁架更为经济合理。在具体的煤矿或电厂栈桥设计和建造过程中，要懂得善于运用钢桁架的不同结构形式。具体工程实例中也可以根据实际情况，可考虑两种结构形式相结合使用，比如带下撑的平行弦桁架，以达到较好的设计效果。

參考文献：

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