输煤栈桥桁架平面与空间计算对比

冯晓亮

摘 要：本文以国泰纸业（唐山曹妃甸）有限公司年产170万吨造纸生产线一期工程自备热电厂中的1#输煤栈桥为例，着重介绍在钢结构输煤栈桥设计中，就平面模型和三维空间模型计算结果进行对比分析，为今后的工程设计提供参考。

关键词：钢结构输煤栈桥;平面计算;PKPM（STS）;空间计算;Midas/Gen;有限元

1、工程概况和软件介绍

本工程位于河北省唐山市曹妃甸开发区。1#输煤栈桥位于转运站与碎煤机房之间，全长49.0m，栈桥宽6m，高3m，水平倾角16°;栈桥支柱采用現浇钢筋混凝土结构，上部桥身结构采用钢桁架结构，桥身顶棚和侧面采用轻型围护结构。

PKPM（STS）是PKPM系列的一个功能模块，既能独立运行，又可与PKPM其他模块数据共享;可以完成钢结构的模型输入、优化设计、结构计算、连接节点设计与施工图辅助设计。本工程设计采用STS进行平面建模计算。

Midas系列软件是由韩国浦项集团CAD/CAE研发机构研发的以有限元为理论基础的分析和设计软件，Midas/Gen作为Midas Family Program之一， 是土木、建筑部门通用的有限元分析和优化设计软件。本工程设计采用Midas/Gen进行空间建模计算。

2、荷载及计算模型

2.1 荷载取值

1） 恒载（标准值）：屋面荷载为0.3kN/m2，因采用组合楼面，计算时取楼面荷载5.0kN/m2;

2）活载（标准值）：屋面活载取为0.4kN/m2，楼面荷载4.0kN/m2;

3）风载：基本风压0.40kN/m2，地面粗糙度类别为A类;

4）地震作用：抗震设防烈度为7度，设计基本加速度为0.15g，设计地震分组为第二组。建筑场地类别为Ⅲ类，特征周期值0.55s;

根据荷载规范及荷载取值，选取荷载组合工况进行结构整体受力分析及变形计算。

2.2 计算模型

2.2.1 PK平面模型

一般我们计算钢桁架栈桥都将其拆分为四个平面结构体系：①由上弦杆、下弦杆、腹杆及端竖杆组成的主桁架，承受竖向荷载;② 由上下弦杆、横梁及支撑组成的上下弦水平支撑桁架承受水平荷载;③ 支座处由立柱及横梁组成的平面刚架承受两个主桁架及支撑传来的垂直及水平荷载。

用PKPM（STS）对主桁架进行建模计算。输入杆件截面尺寸时要注意各杆件的允许长细比，按照规范相应规定执行。将输煤栈桥所有荷载的一半折算成节点荷载施加到铰接平面桁架上，最高端为滑动支座，其余为铰接支座。

2.2.2 Midas空间模型

将端柱与其相连的上下横梁刚接，形成封闭的刚架，上下弦杆作为一根梁单元与端柱形成平面框架，弦杆在节点处为连续的刚接节点，其他腹杆和横梁在节点处以铰接方式与弦杆链接。

3、分析截面及几何尺寸

4、计算结果及分析

4.1 结构周期

Midas/Gen采用子空间迭代法进行特征值向量分析。结构的固有频率先出现在刚度较小的方向和部位，对于本栈桥而言，横向刚度相对较弱，所以第一振型为Y向的平动，第二振型为X向的平动，第三振型为Z向的弯曲加扭转。

PKPM（STS）PK模型仅能计算X向平动，周期T为0.708。

4.2 应力比比较

PKPM（STS）计算的结果是应力比，而迈达斯直接显示的是应力结果，故要将其转化成应力比后再行对比。

经比较两种模型发现，斜腹杆应力比差别很小，比如圈出的斜腹杆，STS计算应力比是0.54，迈达斯计算的应力是127.1，应力比就是127.1/215=0.59。空间模型的支座处的立柱、上下弦杆及竖腹杆应力比大多都比平面模型的稍大一些。比如圈出的立柱、上弦杆及竖腹杆的应力比分别为0.36，0.25和0.16，空间计算结果的应力分别为94.0，61.9和63.9，转化为应力比分别是0.43，0.29和0.30。支座处的立柱，上、下弦杆及竖腹杆空间模型计算的结果比平面模型的大，主要是因为空间模型额外考虑了平面外传来的水平荷载。

4.3 位移比较

结构在恒载+活载（标准值）作用下两种模型的节点位移图

下表表示图12圈出的点的节点位移（STS/Gen）（节点从左到右依次编号）

从表中数据可以看出，两种模型计算的节点位移有差别但是相差不大。

5、结语

1、经过结构周期、应力比及位移三个方面的对比，可以看出两种模型在结构周期及位移方面相差甚小，平面模型的参考价值很大，应力比方面因空间模型额外考虑了平面外水平荷载，相对平面模型还是大一点，所以如果平时设计中采用平面模型进行简化计算，那么构件的应力比不能太大，建议0.7～0.8为宜。

2、采用空间模型计算钢桁架栈桥时，力学概念明确，从整体分析空间受力情况，使得计算结果更加精确合理， 不易出错。但也必须对计算结果进行判断，避免建模时不恰当的简化导致概念性错误。

3、如采用平面模型计算时，应按照本文前述将其分为几个平面结构体系分别计算，综合考虑相互作用，这样得到的结果就会更加接近空间模型，更加合理。

参考文献：

[1] DL 5022-2012 火力发电厂土建结构设计技术规程

[2] DL5000-2000 火力发电厂设计技术规程

[3] GB 50017-2003 钢结构设计规范

[4] Midas 软件使用手册

[5] 钢结构设计手册（第三版）