某火电厂大跨度输煤钢栈桥设计与分析

段雷琳

（国核电力规划设计研究院有限公司，北京 100095）

0 引言

输煤系统在火力发电厂中起到输送燃料的作用，而输煤栈桥在输煤系统中起着水平运输的作用，其重要性不容小觑。输煤栈桥平面多呈大跨度细长型，立面呈小角度倾斜型。工程中常见的结构形式有：砖混结构、混凝土结构、钢结构。钢结构由于其自身重量轻、延性好、施工便捷等优点被广泛用于栈桥设计中。

1 工程概况

选取某发电厂中的一段C6 栈桥为例进行研究。该段栈桥连接 T3、T4 转运站，根据工艺提资，布置 C6A、C6B 双皮带，结构形式为封闭式钢结构。该栈桥跨度为31.5m，桥面宽度为7.6m，接T4 转运站桥面高度为44.680m，接T3 转运站桥面高度为36.817m，立面呈15°倾角，栈桥纵向立面如图1 所示。栈桥墙面及屋面采用压型钢板做围护结构，桥面为120mm 厚压型钢板混凝土组合楼板，并设900mm 高混凝土防水挡板，栈桥横向截面如图2 所示。

图1 栈桥纵向立面

图2 栈桥横向截面

2 结构布置

通常，栈桥高跨比取值为1/8~1/12[1]，故此钢桁架高度取值在2.6~3.9m，该桁架的高度为3.75m，设计合理。栈桥宽跨比取值为1/10~1/12[1]，该桁架按工艺提资取值为7.6m，取值偏大。栈桥上、下弦杆采用国标H 型钢，结合竖向平面内的腹杆和水平面内的支撑梁形成三维空间桁架体系。在竖向平面布置上，腹杆选用常见的圆钢管，越靠近支座位置的杆件内力越大，圆钢管截面也越大。该栈桥采用全拉式桁架结构形式，斜腹杆为拉杆，竖直腹杆则为主要的承重结构，这种布置在经济上效果显著。由于工艺双皮带设计要求，栈桥宽度较大，水平面布置上，屋面及栈桥楼面的支撑梁都选用国标H 型钢，按压弯构件考虑，充分发挥了H 型钢的特性。同时在水平面内设置水平支撑，有效提高屋面及桥面的整体刚度，并增强上下弦杆的侧向稳定性。

3 主体结构分析

该钢桁架采用三维空间软件MIDAS Gen 进行空间建模分析及计算。

3.1 计算假定

忽略各节点次弯矩，假定桁架各杆件连接节点为铰接，从而形成稳定的静定结构。在此假设下，所有杆件在竖向荷载作用下按受拉或受压二力杆考虑。

钢桁架在地震力、温度应力等荷载作用下，会在纵向产生水平位移，桁架支座设计中常将高端设计为滑动端以此来释放变形，低端则设计为铰接端，从而使整个桁架形成简支静定结构，同时栈桥与转运站之间应设置抗震缝，抗震缝的大小应根据滑移量及抗规、高规的构造要求计算得出。按此设计原则，该桁架与T4 转运站的连接方式为滑动连接，于T4 转运站外侧柱的牛腿预埋上和桁架的钢柱脚下分别贴上一块聚四氟乙烯板。桁架与T3 转运站的连接方式为铰接，桁架钢柱通过螺栓与T3 转运站外侧柱的牛腿连接。

3.2 荷载取值

屋面荷载：不上人屋面恒荷载主要考虑压型钢板及檩条自身的重量，模型中已建入压型钢板屋面板，故只需另外输入檩条自重，取值为0.5kN/m2，活荷载按荷载规范取值为0.7kN/m2。

楼面荷载：楼面恒荷载主要考虑20mm 厚面层、120mm 厚混凝土板、压型钢板自身重量，模型中已建入混凝土板，故只需输入面层及压型钢板自重，取值为1kN/m2。楼面活荷载按2.0kN/m2，此外设备荷载按照工艺专业提资埋件荷载，以点荷载的形式加载在水平横梁上。

风荷载：基本风压W0=0.75kPa（50 年一遇），以点荷载的形式加载在桁架节点上。

地震作用：该建筑抗震设防烈度为Ⅶ度，抗震等级为三级，设计基本地震加速度为0.088g，反应谱特征周期Tg=0.47g，钢结构阻尼比为0.05。

根据现行《建筑结构可靠性设计统一标准》[2]，本工程考虑了多项荷载组合，标准组合主要是用来进行刚度验算，基本组合主要是用来进行强度验算。

3.3 空间建模

采用MIDAS Gen 软件对栈桥结构进行空间整体建模，所有杆件均采用梁单元模拟，屋面板、楼面板以及墙面维护结构采用板单元模拟。上下弦杆作为一根通常的梁单元，在节点处不断开。端门架在其平面内采用刚性连接，平面外则高端柱脚采用滑动连接，低端柱脚采用铰接连接。整体模型如图3 所示，为了更好地显示杆件排布，图3 中将板单元隐去。

图3 钢桁架空间模型

3.4 结构分析

3.4.1 模态分析

主要选取前三个振型进行分析，该桁架第一振型如图4 所示，桁架整体沿纵向平动，周期T1=0.1973s；第二振型如图5 所示，桁架整体沿横向平动，周期T2=0.1758s；第三振型如图6 所示，桁架发生扭转变形，周期T3=0.1006s，明显比前两阶要小。通过自振模态分析可知，该栈桥整体抗扭刚度较强，结构沿栈桥纵向的竖向刚度强于水平刚度，整体结构布置较合理。

图4 第一振型

图5 第二振型

图6 第三振型

3.4.2 位移分析

在标准荷载组合作用下，跨中最大竖向位移为62mm，扰度为62/31500=1/508，满足《电力规程》中限值1/400 要求。在风荷载标准荷载的作用下，跨中的最大水平位移为15mm，扰度为15/31500=1/2100，同样满足规范限值。竖向地震作用下，跨中最大竖向位移为57mm，扰度为57/31500=1/552，满足《钢结构设计标准》[1]中附录 B.2.4 中 1/300 限值。

3.4.3 杆件强度、稳定性、长细比

桁架设计中，杆件首先要满足稳定性设计的构造要求，其中最主要的指标就是长细比限值。按规范要求，受压杆件的长细比限值为1/150，受拉杆件的长细比限值为1/300[4]。

通常情况下，杆件的强度计算应力比一般控制在0.9 以内较为安全。经验算，该栈桥所有杆件的承载力都满足规范要求，其中最大应力比为0.8，出现在桁架靠近支座处的斜腹杆上。

4 结语

综上所述，在合理的计算假定条件下，通过使用MIDAS Gen软件进行三维空间建模，对某大跨度钢桁架栈桥进行了模态分析、位移分析得出该栈桥结构布置合理。同时，核算了杆件的强度、稳定性、长细比，均符合规范要求。通过反复的分析及验算，得到了经济合理的构件截面，为栈桥设计提供了参考，后续笔者还将不断完善和深化大跨度钢栈桥的设计细节。