新疆广汇白石湖露天矿钢结构输煤栈桥设计浅析

【摘 要】对钢结构输煤栈桥设计中的问题，结合PKPM（STS） 结构设计软件，探讨了我广汇白石湖矿钢结构输煤栈桥结构布置计算模型的建立，参数取值和计算方法及节点构造，并总结了钢结构输煤栈桥设计中结构布置的基本原则，及设计注意的问题。自2002年以来我院先后设计完成了新疆吉新煤矿、伊犁四号井煤矿、巴州秦华煤矿、大黄山煤矿等输煤栈桥设计，这些栈桥大部分采用钢结构形式，钢结构具有材料强度高、质量轻等特点，适用于大跨度结构；大量的钢结构一般在专业化的钢结构厂加工，在工地拼装，施工周期短；基于以上特点，输煤栈桥越来越多的采用钢结构形式，现对广汇白石湖煤矿钢结构输煤栈桥设计中遇到的一些问题进行了总结，作为今后的工程设计参考。

【关键词】钢结构；输煤栈桥；结构布置；计算模型

结构布置

输送煤炭栈桥平面成线条型，立面上栈桥面倾斜。通常输煤栈桥在低侧设不动铰支座，承担竖向荷载及纵向地震作用效应，在高侧设滑动支座，承担竖向荷载，保证纵向刚度变位，此时纵向地震作用效应全部由低侧承担，各支柱承担竖向荷载（见图1 ）。

当走廊两端头支承结构较弱变位移较大时，端部采用滑动支座，此时走廊的支承结构应采用四柱式框架或设置纵向柱间支撑，纵向地震作用效应应由各列支承柱按线刚度分配比例承担。横向地震作用效应及风荷载由各支柱及支座分别承担，此时应注意横向侧移刚度沿通廊纵向宜均匀变化。输煤栈桥与相邻建筑物之间应设防震缝，防震缝宽度可参照GB 50011-2010 建筑抗震设计规范及GB50191-2012构筑物抗震设计规范中的有关规定设置，当相邻处通廊屋面高度不大于15米时可采用105mm；大度大于15m时7 、8、9 度相应每增加4m、3m、2m、时，防震缝宜在加宽30mm，低侧可在栈桥与相邻建筑之间设置支撑防撞，防震缝宽度可适当减小。当栈桥长度超过120m时应设置伸缩缝，在布置栈桥支柱时，宜尽量调整支柱间距，使多榀桁架跨度相等，减少桁架的规格，以方便金属结构厂加工制作、减少设计工作量。

支柱的计算分析

我院现有PKPM 系列软件，根据现有条件，在用PKPM 系列的STS 钢结构CAD 软件对输煤栈桥进行结构分析计算时，由于栈桥面倾斜，上部结构复杂，对支柱和上部桁架分别建模计算，在进行支柱分析计算时我们在设计上进行了简化，沿栈桥纵、横两

个方向分别建立平面杆系模型计算，纵向为两榀平面杆系结构（包括支撑） ，横向为若干榀框排架（带支撑） 结构。

纵向结构体系设计计算及构造

纵向模型取输煤栈桥单侧支柱及桁架建模，把桁架定义为惯性矩很大的梁，即刚性梁，将输煤栈桥桥面以上的恒载、活载的一半布置到各刚性梁上，刚性梁之间及与支柱的节点定义为铰接节点，各支柱上端铰接下端与基础刚接，对于栈桥高侧滑动支座，在计算程序中不能直接定义，可以简化为一个支柱，支柱两端均定义为铰接，支柱刚度无穷大，这样定义的摇摆柱可以承担竖向荷载，但不能承担水平荷载，其受力性能与滑动支座类似，满足模型计算要求。在选择支柱截面尺寸时，影响因素包括：强度应力比、平面内稳定应力比、长细比等，输煤栈桥支柱高度相对较高，通常截面尺寸的确定由平面内稳定应力比或长细比控制。支柱平面内稳定性应满足N/ （￠A ） ≤f ，其中， ￠ 为支柱的轴压杆稳定系数，根据支柱的长细比、钢材屈服强度和GB 50017-2003 钢结构设计规范表5. 1. 221 、表5. 1. 222 的截面分类按附录C 采用。根据GB 50017-2003 钢结构设计规范，柱的容许长细比为150 ，对有抗震要求的输煤栈桥，支柱容许长细比参照GB 50011-2010 建筑抗震设计规范有关规定，当6 度～ 8 度时不应大于120 235/ f ay ，9 度时不应大于100 235/ f ay 。柱的长细比λ= l0/ i ， 其中， l0 为构件对主轴的计算长度； i为构件截面对主轴的回转半径。计算长度l0 = μl ，其中，μ为柱的计算长度系数； l 为柱的高度。框架分为无支撑纯框架、强支撑框架和弱支撑框架，柱在平面内的计算长度系数μ按如下原则确定：1） 无支撑纯框架：当采用一阶弹性分析方法计算内力时，可查GB 50017-2003 钢结构设计规范附录D 表D22 有侧移框架柱的计算长度系数μ确定。2） 强支撑框架：支撑结构的侧移刚度（产生单位侧倾角的水平力） Sb 满足式（1） 的要求时，可按GB 50017-2003 钢结构设计规范附录D 表D21 无侧移框架柱的计算长度系数μ确定。Sb ≥3 （1. 2 ∑Nb - ∑N0） （1）其中， ∑Nb ， ∑N0 分别为所有栈桥支柱用无侧移框架柱和有侧移框架柱计算长度系数算得的轴压杆稳定承载力之和。3） 弱支撑框架：当支撑结构的侧移刚度Sb 不满足式（1） 的要求时，为弱支撑框架，柱的轴压杆稳定系数φ按式（2） 计算。φ = φ0 + （φ1 - φ0） Sb/ [3 （1. 2 ∑Nb - ∑N0） ] （2）其中，φ1 ，φ0 分别为栈桥支柱用无侧移框架柱和有侧移框架柱计算长度系数算得的轴心压杆稳定系数，长度系数可从《钢结构设计规范》附录D 中的表D21 ，D22 查得。支柱的长细比按式（3） 计算。λ=πλn/ f y / E （3）λn = （1 - φ） /α1 （4）当式（4） 计算出的λn > 0. 215 时，将φ代入式（5） 中计算λn 。φ= [ （α2 +α3λn +λn2） - （α2 +α3λn +λn2） 2 - 4λn2 ]/ 2λn2 （5）式（4） ，式（5） 中α1 ，α2 ，α3 为系数，根据GB 5001722003 钢结构设计规范表5. 1. 2 的截面分类，按附录C 表C25 采用。按GB 50017-2003 钢结构设计规范附录D 计算μ值时，对于输煤栈桥纵向计算模型， K1 = 0 ， K2 = 10 ，当输煤栈桥框架为强支撑框架时，由表D21 查得μ= 0. 732 ，当输煤栈桥框架为无支撑纯框架时，由表D22 查得μ= 2. 03 ，当输煤栈桥框架为弱支撑框架时，μ值介于0. 732～2. 03 之间。属于无支撑纯框架及弱支撑框架的输煤栈桥框架，在重力和风荷载或多遇地震作用下，如果层间侧移小于1/ 1 000 ，这时侧移的影响可以忽略，可按无侧移框架柱确定计算长度系数。对于高度较高，由长细比控制截面的输煤栈桥支柱，可以提高如图3 所示双柱及其柱间支撑所组成的抗侧移刚架的刚度，减小支柱的计算长度系数，从而减小柱的长细比，减小柱截面。当计算所需柱截面高度小于1 m 时，可采用实腹柱，当计算所需柱截面高度大于1 m 时，宜采用格构柱。除柱强度及整体稳定需满足要求外，还应保证柱的局部稳定，对于常用的H 型钢截面柱，其翼缘板自由外伸宽度b 与其厚度t 之比应符合：b/ t ≤（10 + 0. 1λ） 235/ f y 。其中，λ为柱两方向长细比的较大值，当λ< 30 时，取λ= 30

当λ> 100 时，取λ= 100 。腹板计算高度h0 与其厚度tw 之比应符合h0/ tw ≤（25 + 0. 5λ） 235/ f y 。其中，λ为柱两方向长细比的较大值，当λ< 30 时，取λ= 30 ；当λ> 100 时，取λ= 100 。有抗震要求的输煤栈桥，支柱的板件宽厚比应满足GB500191-2012筑抗震设计规范表16.3.3的要求。如果支柱的板件宽厚比不符合上述规范的要求，可用加劲肋加强。

横向结构体系设计计算及构造

输煤栈桥横向模型如图2所示，取各榀支柱分别建模，将支柱上部输煤栈桥桥面以上的恒载、活载按杠杆原理分配到支柱上，将风荷载导算到支柱上，在计算风荷载时，由于输煤栈桥结构形式比较特殊，主要承受风荷载部位是栈桥支柱顶部的箱体，即风荷载主要集中作用于结构顶部，栈桥自重相对较轻，栈桥高侧高度较高，因此对风荷载比较敏感，基本风压应适当提高，同时应按GB 50009-2012 建筑结构荷载规范的规定考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响，计算风振系数。

计算过程中，可通过调整横梁截面尺寸及横梁间距控制支柱长细比，支柱的柱间支撑通常采用中心支撑体系，包括十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形支撑和K形支撑等，宜采用十字交叉支撑，也可采用人字形支撑或单斜杆支撑，不宜采用K形支撑。同一榀支柱之间自上而下宜选用一种支撑类型，以使侧向刚度和内力分布不出现突变。在支柱平面内，支撑中心线与梁柱中心线应位于一个平面上，支撑的轴线应交汇于梁柱构件轴线的交点，在构造上确有困难时，偏离中心不应超过支撑杆件的宽度，并应计入由此产生的附加弯矩。支撑的斜杆倾角一般采用35°～55°。支撑的计算分析需注意平面外长细比，防止超限，对于十字交叉支撑，可按拉杆设计，容易满足长细比要求，较经济。在多遇地震效应组合作用下，支撑所承受的地震作用应乘以增大系数，以避免在大震时出现过大的塑性变形，十字交叉支撑和单斜杆支撑应乘以1. 3 ，人字形支撑应乘以1. 5 。支撑斜杆宜采用双轴对称截面，对高度较低的栈桥，可采用单轴对称截面（如双角钢组成的T 形截面） ，但应采取防止杆件扭转屈曲的构造措施。支柱柱脚通常采用外露式刚接柱脚，有抗震要求的柱脚，柱脚与基础连接的极限承载力应满足Mu ≥1. 2 MPa 的要求，柱脚锚栓不宜用以承受柱脚底部的水力，此水力由柱脚底板与混凝土基础间的摩擦力承受，摩擦系数可取0. 4 ，当水力较大，摩擦力承受不了时应设置抗剪键承受。

近几年已有多个电厂的输煤栈桥采用钢结构体系，已投产运行，取得了良好效果，在设计上我们不断总结、研究、精益求精，并认真听取施工、运行上的意见。以上是我们结合工程实践中的一些总结，就输煤栈桥结构布置、计算模型的建立、参数取值和计算方法及节点构造等问题作了介绍，也作为我们今后的工程参考。限于笔者水平和篇幅限制，有不当、不周之处敬请业内同行们不吝赐教。