水泥工厂封闭式钢结构廊道设计概述

徐松波

（合肥水泥研究设计院有限公司，安徽 合肥 230051）

本文意在整理封闭式钢结构廊道的设计要点，供水泥工厂或其他行业同类结构设计参考。

1 荷载作用

封闭式钢结构廊道所承受的荷载与作用主要有3类。

1.1 永久荷载与作用：廊道自重，设备、电缆及桥架等自重

廊道自重包括结构、围护和其他建筑材料的自重，如钢结构桁架、支撑、檩条、压型钢板、通道铺板、设备自重等。

廊道内有电缆时，应取得电气专业的相关布置与荷载资料，包括电缆桥架的布置与走向、桥架层数、作用点和悬挑长度等。

1.2 可变荷载与作用

物料荷载，风、雪（冰），积灰荷载，考虑安装、操作、检修的屋面、通道和平台活荷载，胶带张力，温度效应等。

物料荷载，以工艺提资为准，一般包含于设备支腿荷载。

封闭式廊道的基本风压可参照《建筑结构荷载规范》[1]GB 50009取值，但是对于国外工程的最大风速，由于其定义不同于国标，可参照文献[2]的方法进行转换，否则可能存在安全隐患或者造成浪费。风荷载体型系数，在《建筑结构荷载规范》GB50009-2012中没有给出，设计计算时可以参考图1（引自《建筑结构荷载规范》[3]GBJ9-87表6.3.1第26项，或《煤矿矿井建筑结构设计规范》[4]GB 50592-2010第5.6.3条）考虑。对于封闭式廊道支架，还需考虑风振系数，但荷载规范公式适用于具有连续变化外形和质量的结构，与廊道及支架的模型不一致。为设计方便，支架的风振系数可按《建筑结构荷载规范》GB50009计算，封闭式通廊可将通廊本身的风荷载值放大30%进行设计[5]见图1。

相对定位主要依靠内部传感器，包括里程计(odometry)、陀螺仪等。通过测量相对于机器人初始位姿的平面距离和转动方向，从而估计机器人位置。该方法计算量小 [3]，但有累加特性。

廊道屋面板、檩条和横梁，应按积雪不均匀分布最不利工况计算；纵向主受力桁架（主梁）按全跨均匀分布、不均匀分布和半跨均匀分布三种工况计算。设计图纸中除了明确限制廊道屋盖允许积雪（冰）的重量或厚度，还应建议业主建立健全相应的安全生产规章制度，及时清除积雪（冰），以保证结构安全。

图1 封闭式廊道风荷载体型系数

廊道屋面水平投影面积的积灰荷载，参见国标《水泥工厂设计规范》[6]表9.7.3按“有灰源”、“无灰源”及其他区域分别取值；廊道内落料（积灰）荷载应按工艺专业提资考虑。

廊道屋面按不上人考虑，其活荷载取为0.5kN/m2；走道、重锤张紧装置平台活荷载按工艺提资考虑。计算板、加劲肋和次梁时，取值不宜小于2.0kN/m2；胶带机托辊支架下方常有落料堆积，且不能及时清除，故该范围内需考虑活荷载0.3～0.5kN/m2；胶带机头轮平台均布活荷载应由工艺专业提供，考虑检修时需堆放头轮、电机或减速机等设备，其取值不宜小于4.0kN/m2。

廊道支座采用固定铰与支架连接时，因温度作用而产生对支架顶部的纵向水平推力，可按下式计算。通常在每段廊道的温度区段伸缩端设置滑（滚）动支座，以释放温度应力并减少对下部结构的推力。有坡度的廊道，宜将滑（滚）动支座设置在廊道的高端，这样水平力传递至廊道支座相对较低的一端，可以减小下端支承结构（支架）的弯矩。

式中：Pt为廊道支座传递到支架顶部的纵向水平推力，N；E为支架材料弹性模量，N/mm2；I为支架截面惯性矩，mm4；ΔL为廊道支座处热膨胀值，mm；H为基础顶面至支架顶部高度，mm；Kt为保温影响系数：封闭保温廊道取0.6、开敞不保温廊道取1.0；Lj为温度区段内变形约束中心点至计算支座间的廊道水平投影长度，mm；a为钢材线膨胀系数（1.2×10-5/℃）；Δt为廊道安装合拢时，室外环境温度与该地区最高（或最低）5日计算温度平均值之差。

1.3 地震作用

图2 封闭式廊道横截面示意图（mm）

抗震设防烈度为6度时，可不计算廊道的地震作用，但应采取抗震措施；抗震设防烈度为7度～9度时，廊道的地震作用计算和构造要求，参见国标《构筑物抗震设计规范》[7]GB50191-2012第16章考虑地震作用。

2 布置选型

廊道跨度，应根据工艺要求、总图布置、加工制作、运输安装、钢材材质及经济合理等因素综合确定。廊道跨度或支架间距宜控制在20～30m范围内，且不宜大于60m。

封闭式廊道高度、宽度需考虑设备宽度、人行道净宽和检修道净宽（最小净空尺寸可参考国标《带式输送机工程设计规范》GB 50431-2008表11.7.1）要求。封闭式廊道横截面见图2。

封闭式廊道内采光设计应符合国标《建筑采光设计标准》GB/T50033的有关规定，其照度应不小于30lx；廊道的散热和通风窗应结合采光需要统一布置。

廊道结构涉及的平面、立面、横截面和支撑等布置宜规则、对称，应具有足够的空间刚度。屋面宜按双坡设计。廊道端部宜设置横向门式刚架，可保证廊道端部为几何不变体系，满足其横向稳定。桁架上（下）弦平面内各节间宜设置水平支撑。廊身横截面杆件间连接通常为铰接，亦需在其上方适当位置间隔一个节间设置一道加掖或隅撑（人形或八字形），从构造上提高廊身的整体稳定性。

廊道支架可分为单片支架和固定支架，其设置应根据相邻两建（构）筑物间的廊道长度、结构形式和温度区段确定。封闭廊道长度≤180m，且其中一端固定于建（构）筑物时，可只设置单片支架；当廊道长度大于180m且≤360m时，可设置一个或两个固定支架；当廊道长度超过360m时，可按比例增设固定支架。单片支架宜设置双柱、固定支架宜设置四柱，特殊情况时可设置为三柱。固定支架顶部应设置水平支撑，中间部位宜间隔两个或三个节间设置一道水平支撑。支架腹杆（支撑）宜采用角钢、T型钢及其组合截面，非交叉腹杆也可采用圆管；横梁宜采用工字钢、轧制或焊接H型钢。通常支架高度≤8m时，可采用等截面支架；大于8m时，可采用变截面（一般为梯形）支架。

3 结构设计

廊道与支墩、支架、转运楼或厂房等建（构）筑物间的连接，按受力要求可假定为固定铰支座或滑（滚）动支座。钢结构廊道和支架杆件的设计计算，执行《钢结构设计标准》[9]GB50017的相关规定。

封闭廊道主受力构件通常采用梁桁架（即平行弦桁架）[8]，桁架计算高度H0可取其跨度的1/10～1/14且保证廊内净空不小于2 200mm。桁架节间长度根据廊道高度和宽度综合确定，直腹杆与斜腹杆相交的夹角宜控制在35°～55°；桁架节间数为奇数时，中央节间宜布置交叉斜腹杆。桁架分段长度应根据运输和安装条件确定：跨度不大于12m时可不分段；大于12m且小于20m时可分为两段；大于20m时可分为多段，但每段长度不宜超过12m；拼接接头宜位于廊道跨度的1/3处。

表1 各类桁架特点比较

梁桁架大概起源于1840年，威廉·豪式首先提出他的桁架体系；豪式桁架体系广泛应用4年后，托马斯·普拉特提出了与豪式式桁架布置相反的形式。下表为几种常用的梁桁架结构类型及其对比分析，可供设计时根据受力特点选用对应类型的主受力桁架见表1。

廊身挠度限值：按永久和可变荷载标准值计算的最大竖向挠度值，应不大于廊道跨度的1/500；按可变荷载标准值计算的最大竖向挠度值，应不大于廊道跨度的1/400。

支架顶部位移限值：按可变荷载或地震作用标准值计算的支架最大横向位移值，应不大于其高度的1/350；固定支架纵向位移值应不大于其高度的1/500，并与温度区段伸缩缝或抗震缝相适应。

4 安全防护

考虑廊道的消防要求，廊身围护及保温等建材应选用难燃或不然材料。

廊道内应设置人行通道，如走道、过跨梯、平台、钢梯等。人行通道的设置需结合工艺提资，并满足净宽要求；长度大于100m的廊身，宜在胶带机两外侧设置走道，并在纵向按30～100m的间距设置过跨梯（上部有设备移动区域除外）；过跨梯下部净高应满足工艺专业要求，上部净高不应小于1 600mm，且应在其上方设置警示标志。走道与墙架之间存在安全隐患孔洞时，应设置栏杆。

廊道坡度大于6°，且≤12°时，应设置防滑条；大于12°时应设置踏步。廊道跨越道路时，除满足与路面的净空高度≥5m[6]外，还必须在其下部设置落料挡板。

5 结语展望

封闭式钢结构廊道，作为水泥工厂最常用的物料输送构筑物，承受着设备自重、风荷载、地震作用、温度变形等各种荷载与作用，本文针对廊道设计全过程中主要设计因素及参数做出概述和总结。

然而对于梁桁架的结构选型优化、抗震设计分析等内容，未能展开探讨；作为抛砖引玉，希望有相关的深入研究。同时目前流行的BIM技术，可以应用在封闭式钢结构廊道设计中，希望能够更全面地解决目前二维设计暂难处理的问题，使其设计更加完善、合理。