某圆管带式输送机41m 大跨度水平弧钢桁架结构设计浅谈

徐兰芳

（福建龙净环保股份有限公司， 福建 龙岩 364000）

0 引言

圆管带式输送机系统（简称管带机）作为一种环保新型的连续输送设备，逐步引起国民经济各行各业的重视，越来越广泛应用于港口、冶金、电力及石油化工等行业，用来输送煤、矿粉、硫铁矿渣、粮食等散体物料。由于管带机输送线路长，荷载较小，且桁架结构是最经济的一种梁形式，所以桁架结构及大跨度桁架结构在圆管带式输送机设备中得到了大量的应用。

1 工程概况

此项目为河南省漯河市某公司一条管径300mm， 长度871m 的输送玉米的圆管带式输送系统，该41m 大跨度水平弧形钢桁架由于要跨过一条近40m 的道路，由于场地受限，管带机刚好在41m 大跨度位置出现一个很大的水平方向的转弯，大跨度水平弯钢桁架（偏心2.7m)在以前的项目中从未碰到过，几乎找不到可以参考的相关资料，当时给结构设计工作带来一定的难度和挑战。

该41m 大跨度水平弧形钢桁架在管带机中部，不要求做成封闭形式，两端总跨度直线距离为41m,宽2.6m,高2.85m，桁架中心线往外偏心2.7m,断面形式（见下图2）需做成为矩形（断面内放小桁架）且不允许做支撑，断面内小桁架两边为800mm 宽的检修走道，走道铺4mm 厚的花纹钢板。结构平面及立面布置图（见下图1）

图1 结构平面及立面布置图

图2 断面形式

本工程的基本风压0.4KN/M2,地面粗糙度类别为B 类，抗震设防烈度为70(0.10g),设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅲ类。本工程由于在北方，温差很大，最高温是36o，最低温是-8o。

2 钢桁架结构计算

钢桁架结构主要按动力特性和线性原理进行分析设计，采用上海同济大学2012 年版3D3S 软件三维空间整体建模计算分析。地震采用振型分解反应谱法(CQC)计算，荷载按各专业提资和相关规范选取，取各种荷载工况组合下五种最不利的受力进行设计及变形分析。

2.1 几何模型

该桁架的上下弦及竖杆均采用热轧H 型钢，腹杆采用等边双拼角钢，端部竖杆采用和上下弦杆相同规格的H 型钢。由于考虑桁架是以变形起控制作用，所以钢材采用Q235B 材质。分别建立两个模型对结构时行建模分析，一种计算模型是只有桁架结构（两端均假设铰支座），另一种计算模型是桁架和两端柱子（柱高4.5m)一起整体结构(两端设四柱，柱脚连接均为固定支座连接)，分析两种计算模型下最不利情况进行构件截面设计。两种计算模型三维模图（见下图3 和图4）

图3 （计算模型1）

图4 （ 计算模型2）

2.2 荷载取值情况：

（1）恒载：包括工艺、电气等专业荷载提资和结构构件自重，如电缆桥架重1.0KN/m,托辊及皮带重0.5KN/m,走道+栏杆重量1KN/m,桁架自重软件自动计算；

（2）活载：包括输送的物料重量0.51KN/m,走道检修荷载21KN/m2；

（3）风载：基本风压为0.4KN/m2；面粗糙度类别为B 类，高度变化系数取1.0（柱子+桁架高度小于10m)；

（4）雪载：基本雪压为0.4KN/m2；

（5）温度荷载：最高温是36o，最低温是-8o(由于两端假设为铰支座，温度应力没有释放，设计时应考虑温度应力的影响）；

（6）地震荷载：抗震设防列度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第一组。由于本工程为7 度地震区，按规范要求可以不考虑竖向地震作用，只计算两个水平方向地震作用。地震力计算方法采用振型分解反应谱法。地震作用由软件自动计算。

3 模型计算结果

3.1 结构动力计算：

对两种模型计算结果进行比较发现，计算模型2 动力分析结果更不利，计算模型2 计算结果：钢桁架的前5 个周期，结构固有频率出现在刚度较小的方向和部位.钢桁架的第一振型为竖向平动（自振周期为0.458s），第二振型为前后方向平动（自振周期为0.349s），第三振型为空间弯曲和扭转（自振周期为0.172s），根据这些动力分析说明桁架中间位置刚度较小，这也说明模型分析与实际结构情况较相符。钢桁架最大自振周期为0.458s，说明结构刚度在正常范围内，同时振型为整体建模分析，表明设计比较合理。

3.2 结构位移计算：

对两种模型计算结果进行比较发现，计算模型1 结构位移更不利，且变形最大处均出现在桁架中部，说明桁架中间位置刚度较小，这也说明模型分析与实际结构情况较相符。

计算模型1 计算结果如下：

(1)桁架竖杆顶最大水平位移为13mm < 高度H/150=19mm。

(2)最大饶度为77mm<规范要求跨度的1/400=103mm。

(3)该结构各项变形均满足规范要求。

下图5 为两种模型结构位移图

图5 两种模型结构位移图

3.3 桁架构件的强度、刚度验算：

经过对两种模型计算结果进行比较发现，两种情况强度刚度值差别不大，且应力比最大地方都是在两端竖杆及下弦杆（外弧）两端。说明桁架端部位置刚度较大，这也说明模型分析与实际结构情况较相符。

结构最大强度应力比为0.83<1,最大整体稳定应力比为0.85<1，受压构件最大长细比为112<150,受拉构件最大长细比为201<250；

3.4 构件截面及计算结果：

经过软件两种模型进行计算分析，最后构件设计截面取5 种，上下弦两端竖杆为HM250X175,上下前后平面的端部腹杆截面为双拼角钢2L90X6，上下前后平面的中部腹杆截面为双拼角钢2L80X6，端部竖杆为HW250X250,中部竖杆为HN250X125.总用钢量为19.8 吨。

该桁架各个构件的强度、稳定性及长细比、变形均满足相关规范要求。

4 总结了大跨度弧形钢桁架设计中注意的要点：

（1）支座设计：经过分析发现，桁架两端支座反力比较大，而且此部位是很关键的部位，支座节点设计时尽量留大一些的余量。

（2）设计时如何考虑温度应力的影响，如果桁架两端支座假设为铰接，温度应力就无法释放，所以设计时必须考虑温度应力对结构的影响。

（3）注重节点设计：上下弦杆件对接处一定要按等强设计，上下弦杆件对接处、竖杆与上下弦连接处均采用开坡口熔透焊连接，其它腹杆连接采用角焊缝连接方式。

（4）此桁架是弧形偏心结构，两端柱子建议设计成四柱形式（刚度较好），如果柱子是钢柱设计时要和桁架一起整体建模分析。

（5）设计时杆件两端铰接或刚接假设，一定要确保与实际情况相符。如桁架断面假设为刚接，一定要做三角加劲液（详见断面图），实际才能达到刚接效果。

（6）此桁架是弧形偏心结构，经过建模分析发现，竖杆顶的变更（位移）起控制作用，所以在设计时，从结构形式、竖杆强弱轴方向等措施保证断面的足够刚度。

（7）此桁架跨度比较大，要在设计说明注明安装时要起供，起供高度为跨度的1/500。

5 结论

采用3D3S 软件两种模型三维空间整体建模分析计算，与传统的平面设计方法相比，计算结构更为准确，对于大跨度、结构较复杂的桁架结构应采用三维计算软件进行分析计算，如果柱子也是钢柱，最好桁架和柱子一起整体建模分析计算。

以上是我结合工程实际的一点浅谈，对结构形式、计算模型的建立、荷载取值、结构计算方法、两端支座的假设及计算结果合理性分析，总结了大跨度弧形钢桁架设计中注意的要点。在今后的设计中，我们会认真听取施工、运行上的意见，不断总结设计经验，使圆管带式输送机结构设计更加安全、经济、合理。

此项目已投入运行将近2 年，此钢桁架均未出现任何问题，该桁架的设计得到业主和公司领导一致好评和认可。图6 为项目竣工后实景照片。

图6 项目竣工后实景