上海建捷钢结构有限公司
摘要：栈桥作为火力发电燃料供应系统的重要构筑物之一，连接燃煤电站内外输煤皮带机的运作，确保电厂所需燃料的持续供应，在火力发电系统中起着不可忽视的作用。本文以某燃煤电站钢结构输煤栈桥为工程背景，阐述钢结构栈桥的结构布置及受力要求等方面的要求，结合STAAD Pro设计软件分析对比特宽型钢结构栈桥的结构要求以及SSDD杆件验算中的注意要点。
关键词：特宽型钢结构栈桥；风荷载；竖向地震作用计算，计算长度
1 工程概况
本工程为某燃煤电站工程中的钢结构输煤栈桥，全长约268m，负担3条皮带机运行，并设置检修走道，栈桥轴线宽度11.6m，坡度为7.8°最大跨度28m，无封闭要求，为开敞式结构，但桥面铺设花纹钢板避免煤渣掉落。工程所在地的抗震设防烈度为8度，地震设计基本加速度0.30g，建筑场地类别Ⅲ类；基本风压为0.49kN/㎡，地面粗糙度的等级为A。
2 结构选型与布置
因本输煤栈桥全长268m，考虑地震作用、温度应力、以及防火等要求，依照《火力发电厂土建结构设计技术规定》中规定：“对运煤栈桥纵向按钢筋混凝土铰接排架设计时，封闭栈桥的伸缩缝最大间距为130m，露天栈桥为100m。”将本钢结构栈桥划分为3段（图1为钢结构栈桥纵向结构的部分），设置2道变形缝。如何选用结构体系和布置构件不仅影响项目的实用安全性，也涉及经济性，笔者考虑以下方面要素的影响：
图1 栈桥纵向结构布置
第一，钢结构栈桥的结构组成包括钢支架和钢桁架，且钢桁架结构大量存在，这与本项目和工业建筑的特性相关。本栈桥是一段改扩建项目，具有复杂的客观条件，地面上的各项基础设施呈犬牙交错的态势，并且存在大量的管道。因此，在进行栈桥支架布置的过程中，为避免与这些基础设施相碰撞，钢支架结构距离被拉开，单梁结构不能满足设计要求，钢桁架的实用性和经济性就十分明显。
第二，作为承重和抗侧力体系的钢支架结构，在本项目中有如下两种形式：双柱支架和四角支架结构。这两种结构均采用刚接结构，在横向方向均为框架支撑形式，但在纵向方向，双柱支架抗侧移能力明显低于四角支架结构。虽然四角支架结构是最为稳定合理的结构形式，但场地等条件限制，栈桥结构存在大量双柱支架结构，这样的结构往往不能满足结构刚度要求。做好抗震单元四角支架结构的设置工作，以此来提高栈桥的刚度，并减小栈桥所受到的地震力，在栈桥结构中至关重要，必不可少。
第三，常用的栈桥钢桁架为单斜杆平行弦式桁架，如图1的最后一跨桁架结构。但本项目多采用单斜杆鱼腹弦式桁架（如图1的前3跨桁架结构），该结构形式由上弦杆、腹杆和折线下弦杆构成，折线下弦杆的两端与上弦杆相连接，腹杆上下与上弦杆和折线下弦杆连接。不论哪种桁架形式，荷载作用下其受力特点均为上弦杆受压，下弦杆受拉，腹杆即有受拉又有受压，这种结构受力明确，杆件相互协调性好，约束变形能力强承载能力大。同时在栈桥横向布置系杆及水平支撑和竖向支撑来增强桁架结构的侧向刚度。
第四，栈桥桥面与钢结构桁架的上弦杆位于同一平面，在桁架腹杆与下上弦杆交接处布置横向杆件（梁）连接两侧片桁架，同时布置竖向“W”型支撑将上下横向杆件连接，且上下弦面内布置支撑杆件，使结构形成空间桁架结构体系，提高桁架结构的抗侧力能力。典型的3D钢桁架结构如下图2。桥面纵向梁则结合皮带机设备及支座情况和走道等条件来布置，满足建筑功能要求，同时能简洁合理，经济适用。
第五，钢桁架结构与钢支架结构采用支座连接方式，桁架支座可以被分为两种：一种是可移动的支座，另一种为铰支座。其中可移动支座按照移动方式，又可以划分成滑动支座和滚动支座。根据项目特性，桁架支座设计采取了一头滑动支座，另一头为铰支的设计方式。桁架属于一种跨间的结构，工作过程中产生的地震力和温度应力，会以铰支座作为载体，将这部分能力传输到支撑结构之中。如果桁架两端具有完全相同的作用力，那么这个作用力就不会对低处的结构造成过大的影响，基于此，在布置桁架支座的过程中，将铰支座布置于栈桥下端较为合理。
3 结构计算
3.1 荷载及组合
1）本项目的恒、活荷载情况依据《建筑结构荷载规范》及设备工艺提供的相关数据选取，值得说明的是本项目的皮带机荷载是按集中荷载形式提出的，在设计中考虑的动力系数为1.25。同时皮带机拉紧装置位置存在较大的集中荷载，在设计中除考虑动力系数外，还应考虑在皮带机拉紧器及驱动器所在桥面开孔处，空洞两侧结构构件要负担的皮带张力引起的附加作用。本案例在结构布置上增设水平支撑构件来保障该附加作用的传递。
2）对于地震作用，钢支架体系作为主要的抗侧力结构主要承受的水平地震作用，采用振型分解反应谱法计算设计。
需要指出的是，依照《构筑物抗震设计规范》（GB50191-2012）要求：“8度和9度时，跨度大于24m的桁架、长悬臂结构和其他大跨度结构，竖向地震作用标准值可采用其重力荷载代表值与竖向地震作用系数的乘积，竖向地震作用力可不向下传递，但构件节点设计时应予以考虑”。在设计中，本项目的设计基本地震加速度0.3g，笔者按规范取0.15作为竖向地震作用系数。
3）荷载组合
建筑物安全等级为二级，重要性系数取1.0，荷载组合的分项系数、组合系数参考《建筑结构荷载规范》选取。恒荷载（DL）、活荷载（LL）、风荷载（WL）、地震荷载（EL）均参与组合，其组合类型如下：（以下仅列举承载力极限状态下的荷载组合）。
1）1.2 DL + 1.4 LL
2）1.2 DL + 1.4 WL + 1.4 x 0.60 WL
3）1.35 DL + 1.4 x 0.70 LL
4）1.35 DL + 1.4 x 0.70 LL + 1.4 x 0.60 WL
5）1.35 DL + 1.4 x 0.60 WL
6）1.2 x（DL + 0.70 LL）+ 1.3 EL
7）1.2 x（DL + 0.70 LL）+ 1.3 EL + 1.4 x 0.20 WL
3.2 构件截面选型
输煤栈桥的杆件常采用H型钢、钢管、箱型截面、角钢等类型。虽然钢管桁架受力性能最好，也最经济，但复杂的连接节点和加工要求在实践生产中被摒弃。本设计钢支架体系系和钢桁架的上下弦采用热轧宽翼缘或中翼缘H型钢，充分利用这两种H型钢能较好承担轴向受力，抵抗两个方向侧向荷载作用的优势，达到受力合理，经济适用的效果。钢桁架的腹杆和支撑则采用T型钢，避免采用双角钢截面常遇的难以解决的锈蚀防腐问题。
4 计算结果
4.1 钢桁架杆件设计
笔者采用28m跨度结构模型作典型桁架结构分析其受力情况。利用Staad Pro计算软件空间建模来分析结构的受力情况，并采用SSDD进行构件截面验算。在验算过程中，钢桁架的主要受力构件均为轴心受力构件，为简便计算采用简化的计算长度法来验算压杆的稳定承载力。
桁架杆件按照轴心受拉、轴心受压、拉完和压弯不同受力情况进行强度、刚度和稳定等方面的验算，尤其对于桁架跨中上下弦杆件，应按压弯构件和拉弯构件的特性验算。其验算方式和结果需要符合《钢结构设计规范》（GB50017-2017）的相关要求。
4.2 钢支架杆件设计
钢支架结构静力学结构计算由STAAD Pro软件完成，在3D结构模型中，将桁架结构的模拟为结构梁，该梁与支柱节点定义为铰接。将桁架传递给支架的单工况荷载以集中力的形式附加给钢支架结构，同时考虑偏心弯矩的影响。而栈桥高端的滑动支座，则只有竖向荷载作用，不考虑水平荷载。这样的结构模型，其支架与桁架交接处的受力性能与滑动支座类似，结构力学模型与实际结构受力情况基本类似。
钢支架结构由框架柱和支撑杆件组合而成，支撑结构按轴心受力构件设计验算，框架柱与框架梁按压弯构件设计验算。依据《钢结构设计规范》，框架结构分为无支撑纯框架、强支撑框架和弱支撑框架，柱的计算长度与此有关。在本项目栈桥的钢支架结构中，钢支架横向结构按无侧移框架考虑，但纵向钢支架则需要通过校核其侧向刚度来确定。
5 结论
第一，钢结构栈桥的结构形式及布置受诸多因素的限制，选择受力清晰，传力简单的结构体系十分必要，同时还应兼顾结构构件后期加工制作及施工安装方便快捷的要求。
第二，结构的计算模型和基本假定应与构件连接的实际性能相符合。
第三，对于超宽钢结构栈桥结构，空间建模计算考虑了结构构件的空间协同作用，力学概念明确，荷载和力的传递更接近工程实际，从整体分析空间结构情况，能更准确快捷的计算结构并完成设计要求。
当然，在特宽型钢结构栈桥的设计中，不仅仅有以上要求，还应考虑基础沉降，温度应力，皮带设备张力等对结构的影响，节点做法等多方面特性，才能将钢结构栈桥尤其超宽结构做到实用经济。
参考文献：
[1] 朱明莉 王德锋 王朝霞 特宽型钢结构输煤栈桥的设计 煤炭工程，2014年第4期
[2] 《火力发电厂土建结构设计技术规定》（DL5022-2012）
[3] 《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）
[4] 《构筑物抗震设计规范》（GB50191-2012）
[5] 《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
论文作者:黄苏梅
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第25期
论文发表时间:2019/6/24
标签：结构论文; 桁架论文; 栈桥论文; 荷载论文; 支架论文; 支座论文; 构件论文; 《建筑细部》2018年第25期论文;