关于“砼支柱―钢桁架”输煤栈桥结构设计的探讨

摘要：通过对某工程采用混凝土支柱上钢桁架输煤栈桥存在问题的计算分析，与混凝土框排架方案、全钢结构方案作比较，探讨“砼支柱―钢桁架”栈桥的经济合理性及其各结构构件、非结构构件的做法。

关键词：输煤栈桥钢桁架 混凝土支架 结构设计

输煤系统是火力发电厂的重要组成部分，输煤栈桥又是输煤系统中的核心单元。本文结合某电厂一套新建输煤系统栈桥中一段，就输煤栈桥设计中各结构构件的设计及构造进行分析论述。

1．工程概况：

工程所在地基本风压0.55kN/m2；抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，属抗震设计第一组；该场地土属非液化场地土，场地类别为Ⅲ类；基本雪压0.35kN/m2。

本工程采用桩基础。选取段栈桥长100.2米，檐口最低14米，最高42米，倾斜角16度。栈桥两端均与转运站楼面搭接，转运站为钢筋砼框架结构。栈桥内设置双路皮带，每条皮带荷重为1t / m。安装时考虑楼面最大活荷载4kN/m2.

选取段栈桥MIDAS空间模型（砼支柱―钢桁架方案）

2. 结构选型：

2.1整体结构方案比选

在满足工艺要求的前提下，有以下几种可选结构方案：

混凝土框排架方案：

混凝土栈桥支柱伸至栈桥斜屋面顶，栈桥桥体为预制砼的梁板结构。此方案由于型钢用量少，因此材料费用低，保温防水容易处理，且造价低廉。对控制栈桥整体造价有积极作用。不过桥体重量大，势必带来地震荷载巨大，容易引起支柱底弯矩过大，且柱顶位移不易控制。

全钢结构方案：

栈桥支柱及其桥体均采用钢结构的做法，整体重量轻，施工方便，轻巧美观。不过费用较高。

砼支柱―钢桁架方案：

下部支柱采用钢筋砼结构，上部栈桥桥体采用钢桁架结构。此方案为上述两方案的折中。

通过有限元软件MIDAS建立三个方案的模型，发现如下问题：

对于全砼结构方案，计算得出砼支柱底弯矩巨大，高段柱最大截面需要1500x1200才能满足要求。且地震力作用下柱顶位移较大，控制柱顶位移H/500需要柱断面1500x800。对于如此巨大的柱截面，显然是难以接受的。

支柱为钢格构柱，桥体为桁架的模型。由于地震作用较小，且格构柱刚度较大，柱顶位移很容易控制。底层柱肢HW400x400时，可限制最大柱顶位移为H/2493。但为了减小格构柱柱肢长细比，缀板用钢量较大。同时，在垂直于栈桥纵向的风荷载作用下，35米以上栈桥抗倾覆验算不满足要求，必须考虑桩的抗拔。这样，钢支架柱实际上处于一个拉压受力交替状态，不利于钢结构节点的稳定。

混凝土支柱，上部桁架桥体的模型。当柱截面为800x800时，柱截面配筋合理，最大柱顶位移H/1492。考虑风及地震荷载的情况下，栈桥横向倾覆验算满足要求。

鉴于以上对三个方案模型的计算结果分析，认为c方案较为合理：既不会导致支柱截面巨大，也不会使下部支柱在风荷载作用下处于拉压受力交替状态。且考虑到下部砼支柱的施工可以与上部钢桁架制作同时进行，不会影响工期。相对于全钢结构，有明显的成本优势。本工程决定采用“砼支柱―钢桁架”方案。

2.2各部分结构形式

屋面为轻钢屋面体系，通长设置桁架间纵向水平支撑：横梁为H型钢梁，横梁间X型设置交叉角钢拉条。栈桥两侧桁架同时作为两侧压型钢板墙的骨架，墙体为双层压型钢板轻质墙。楼面采用钢结构横梁上托压型钢板作底模的现浇钢筋混凝土楼板：这种楼板结构自重轻、整体性好，特别适用于地震区；采用此种楼板，输煤栈桥采用水力清扫时无需做刚性防水层。同时，钢底模与楼面结构复合共同工作成为叠合楼板，有效地保证楼板下钢梁的整体稳定性。

根据《火力发电厂土建结构技术规定》，桁架两端应设门型刚架，本工程具体做法如下：混凝土支柱下端固支于基础上，钢桁架通过其两端钢支柱固支于混凝土支架上，这种结构形式能增强钢栈桥的整体稳定性，有效减小栈桥的柱顶位移。同时，《火力发电厂土建结构技术规定》要求：在桁架上下弦处，宜通长设置桁架间纵向水平支撑，同时设置横向垂直支撑。本工程桁架上弦平面（即栈桥屋面）以H型钢梁作为水平撑杆，以斜交角钢作为拉杆，构成上弦平面支撑体系。由于考虑到输煤皮带支腿荷载较重，下弦平面(即栈桥楼面)采用密肋工字钢横梁，使用阶段由于楼面采用了压型钢板做底模的混凝土楼板，平面内刚度相对较大，可有效保证其平面内稳定；施工阶段由密肋工字钢横梁与桁架下弦组成平面支撑体系。屋架上弦与桁架腹杆间设置加强角钢支撑，在满足使用功能要求的前提下增大栈桥整体刚度。

对于侧墙维护结构，与桁架结构相适应的维护结构一般有以下两种：

复合压型钢板轻型、新颖、造型美观，无需再进行表面装饰，保温、隔热、隔音，防火性能优良，强度、刚度、稳定性、抗冲击性、抗震性可靠，并具有良好的耐腐蚀、耐大气性防水性能好。

单层压型钢板轻型、美观、装配程度高，但保温、隔热、隔音、防水性能差，强度、刚度、抗冲击性较复合压型板差。

考虑到本工程地处我国北方城市，冬季气温低，有采暖要求；且基于8度抗震的前提，本工程侧墙维护采用复合压型钢板。

3. 结构设计计算及构造处理

本工程设计时分别用PKPM及有限元软件MIDAS建模计算，对两种软件的计算分析结果进行分析比较，有效的了解各结构构件的受力状态。

3.1下部支架设计计算

桁架支座下部混凝土支架在高段处采用4柱框架，在邻近转运站的最后一个支座处采用二柱支架：高度超过30米支架按一级框架设计，低于30米支架按二级框架设计；所有柱均视为框架角柱。经计算4柱方案比二柱方案有效减少单柱截面。4柱支架之间高度上每隔6米左右拉一圈连梁；2柱支架6米及柱顶垂直栈桥走向拉连梁。4柱支架每柱截面为800x800，2柱支架每柱截面600x1200；对于底层柱，遵照《建筑抗震设计规范》6.2.3条，柱下端截面组合的弯矩设计值，对于一级、二级框架结构分别乘以增大系数1.5、1.25。

连梁截面为350x700，跨度分别为2.4米和5.7米。计算结果显示，此支架各层内力分布较为合理，没有结构薄弱层；在考虑底层柱弯矩增大系数后，底层柱所需配筋较大，以上各层柱所需配筋稍小。与上部桁架整体建模计算结果显示，考虑地震作用的最大柱顶位移H/1492，满足《钢结构设计规范》A.2.1条多层框架结构柱顶水平位移容许值H/500的要求。

3.2上部钢栈桥的设计计算

3.2.1桁架设计计算

考虑到总图道路及各类管线要求，桁架跨度设为15米，在结构上亦避免了8度地震条件下的大跨度结构。为满足工艺要求，桁架上下弦之间垂直距离设为3.408米，桁架间距5.7米。

考虑到此栈桥受竖向荷载较大，故本工程桁架上下弦均采用H型钢H200x150x6x9。这样充分发挥了宽翼缘H型钢的轴压稳定承载力，使弦杆受力性能得到改善。同时，采用H型弦杆也利于楼面梁、屋面梁与弦杆连接节点的简化，方便此节点施工。弦杆两端头与门型刚架铰接连接。上下弦杆最大应力比0.85，对应长系比82。

腹杆采用双拼等边角钢，与上下弦铰接。其中，直腹杆为2L100x8双拼角钢，节间距离3408mm；直腹杆为2L125x8，最大节间距离4446mm。腹杆长细比：直腹杆长细比107，斜腹杆最大长细比117。腹杆最大应力比：直腹杆0.62，斜腹杆0.84。

3.2.2楼屋面设计计算

楼面横梁为H200x180x8x12，间距不大于1600，两端铰接于桁架下弦。其上铺YXB76-344-688 t=0.8mm压型钢板为底模的混凝土非组合楼板。非组合楼板混凝土净厚80mm，通过圆柱头螺钉与钢梁上翼缘焊接，形成有效抗剪连接键。混凝土楼板每隔30米（两跨）设置伸缩缝，消除混凝土楼板温度应力。此楼板做法详图如下：

屋面横梁采用H200x150x6x9，上弦每节点处设置一根，承担屋面荷载的同时兼为上弦平面支撑系的撑杆。横梁上焊接檩托板，通过调节檩托板高度将栈桥横断面形成双坡轻钢屋面。在屋面横梁与桁架腹杆交接处，设置加强角钢支撑L80X6，作为桁架垂直支撑。屋面横梁之间X型交叉角钢拉条规格L75X6。

3.2.3节点设计及构造处理

对于钢结构来说，节点的设计十分重要，只有节点设计合理才能实现上述计算模型，从而保证结构的安全可靠。

桁架两端的门刚柱脚采用6M33预埋地脚螺栓与混凝土支架连接，取最不利工况计算，螺栓最大拉力73.3kN。钢柱与混凝土柱顶摩擦力不能抵抗柱脚剪力，故于柱底板设置[16抗剪键，长120mm，其与钢柱底板以周圈角焊缝连接。钢柱底板下设50mm厚二次浇筑层，以无收缩灌浆料浇筑。

钢柱脚详见下图：

桁架上下弦与门刚柱通过8厚连接板连接，对于与门刚柱弱轴连接的节点板，设置6厚加劲肋。腹杆与通过桁架上下弦引出的8厚节点板以6厚角焊缝连接，对于轴力较大的腹杆，则肢背采用8厚角焊缝，肢尖采用6厚角焊缝。楼屋面横梁与桁架上下弦铰接采用高强螺栓。X型交叉角钢拉条与节点板连接采用6厚角焊缝。

4. 结语

以上对于本钢桁架栈桥设计思路及设计过程的分析，充分考虑了钢结构和混凝土结构的特点：支架采用混凝土结构为优，而上部栈桥采用钢结构则充分体现其相对于混凝土结构的优点。对所选取的结构模型进行力学分析，以分析结果进行各结构构件设计；同时，采取可靠的构造措施，保证结构的可靠性，并且取得良好的经济效益。

参考文献

钢结构设计规范(GB50017-2003). 北京：中国计划出版社

混凝土结构设计规范(GB50010-2002). 北京：中国建筑工业出版社

建筑抗震设计规范(GB50011-2001). 北京：中国建筑工业出版社

罗邦富等.钢结构设计手册（第2版）。北京：中国建筑工业出版社

崔佳，等. 钢结构设计规范理解与应用[M]. 北京：中国建筑工业出版社

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。