大跨度钢桁架栈桥设计要点简析

赵立景

【摘要】近年来，钢结构栈桥因其自重轻、跨度大、抗震性能佳和制作安装快等优点，在大跨度和超高度的皮带运输系统中得到广泛运用。本文分别就大跨度（跨度大于40m）、超宽度（宽度大于6m）钢桁架栈桥的主纵桁架和支撑桁架的设计进行讨论、分析，最后给出设计建议，供同行参考。

【关键词】栈桥；钢桁架；力法；一次超静定

前言

在煤矿及选煤厂工业场地的建（构）筑物中，带式输送机栈桥作为主厂房、储煤仓等车间厂房的纽带，是煤炭工业建筑设计中不可缺少的构筑物。带式输送机栈桥一般做成封闭式，称为输送机走廊或皮带走廊，简称走廊。在我国以往的煤矿地面建筑设计中，由于受经济和建筑材料的限制，对栈桥或走廊的结构选型，以采用钢筋混凝土结构和砖混结构最为普遍。但近年来，随着我国工业现代化的迅速发展，钢结构栈桥因其自重轻、跨度大、抗震性能佳和制作安装快等优点，在大跨度和超高度的皮带运输系统中得到广泛运用。本文从结构体系、结构选型和构造要求三个方面介绍钢桁架栈桥的设计要点，分别就大跨度、超宽度钢桁架栈桥的主纵桁架和支撑桁架的设计进行讨论、分析，最后给出设计建议，供同行参考。

1、栈桥的结构体系

带式输送机皮带栈桥由两榀平行弦竖向桁架（简称主桁架）和两榀平行弦横向支撑桁架（简称支撑桁架）组成的断面为矩形的空间结构体系。主桁架承受走廊的竖向荷载并决定走廊的竖向刚度。主桁架的节间及腹杆的布置应注意受力合理、传力明确、制作安装简便。横向支撑桁架一方面作为主桁架的侧向支撑，可以减小主桁架平面外的计算长度，保证主桁架的稳定；另一方面可以将其承受的风荷载通过主桁架传给栈桥两端的门架。可见，输送机皮带栈桥是一个复杂的空间受力体系，各桁架间是协同受力、共同工作。因此，横向支撑桁架的布置应与主桁架的节点尺寸及横梁位置相协调。横向支撑桁架的弦杆和竖杆分别由主桁架的弦杆和走廊楼、屋面的横梁代替，连续交叉的斜杆通常由单角钢组成。

2、栈桥的结构选型

2.1 主桁架的结构形式

根据受力分析，主桁架在节点荷载作用下，上弦杆受压，下弦杆受拉，且中部受力最大，向两端逐渐减小；斜腹杆是拉、压交替变化，中间斜杆内力小，两端斜杆内力大。主桁架的腹杆通常由斜腹杆和直腹杆（垂直桁架弦杆）两部分组成。根据腹杆的布置形式，主桁架可分为下倾式腹杆体系（见图1a）、三角形腹杆体系（见图1b）以及倾斜式（见图1c）。

（a） （b） （c）

图1 桁架的三种结构形式

栈桥主要承受静荷载，主桁架杆件内力不会变号。当栈桥水平时，下倾式腹杆体系较三角形腹杆体系优越，因为下倾式腹杆体系中斜杆全部受拉，而三角形腹杆体系中有一半斜杆受压，压杆要保证稳定就必须加大截面，因此下倾式腹杆体系更经济、受力更合理。图1c主要用于倾斜式栈桥，其腹杆布置无论从受力、制造、安装还是构造上都独具优点：竖杆垂直于弦杆，无论栈桥角度如何改变，其中部杆件形式不变，只需将两端部分杆件稍作变化，给计算和画图带来方便。

钢桁架栈桥跨度一般以21～36m为宜，当跨度超过40m时，若一味的加大主桁架的矢高或杆件的尺寸就不合理了，此时通常在下弦内力较大区域设置拉杆，形成鱼腹式桁架（见图2）。

图2

图2所示鱼腹式桁架属一次超静定结构，可用《结构力学》[1]中力法求解。在C点处将下拉杆断开，加上未知力X1，取基本体系如图2所示，设基本结构在单位力X1=1作用下各杆件轴力为F（—）N1，切断点c处相对位移为δ11；在实际荷载Fp（每个節点上均有集中力，图中只是示意）作用下各杆件轴力为FNp，切断点c处相对位移为Δ1p，则

（1）

（2）

式中 l——各杆件长度

A——各杆件截面面积

E——各杆件的材料弹性模量

力法方程为：

δ11X1+Δ1p=0 （3）

解之，得：

X1=- （4）

根据叠加原理，原桁架各杆件轴力可按下式计算：

FN=F（—）N1X1+FNp （5）

2.2 支撑桁架的结构形式

横向支撑桁架作为主纵桁架的侧向支撑是栈桥的重要组成部分。根据走廊宽度（或主桁架间距）的大小横向支撑桁架有三种布置形式（见图3a、图4和图5）。

（a） （b） （c）

图3

图4 图5

通常支撑桁架均采用图3a所示的十字交叉体系，这种体系的桁架刚度大、用料省，其中的交叉斜腹杆常采用单角钢做成，属超静定结构，在受力时一根斜杆受拉则另一根受压。为简化计算常假定受压的这根单角钢因弯扭屈曲而退出工作，只有受拉的单角钢参加受力，这样桁架在受力计算时就变成了单斜杆的静定桁架（见图3b），受力明确，计算简单。当风载反向时，斜腹杆受力变更，仍是一根受力另一根弯扭屈曲退出工作，只需将计算荷载反向作用于桁架节点上，即计算简图反向（见图3c）。

当走廊宽度较大，为避免支撑桁架斜腹杆过长，往往在上、下弦平面支撑内各增设两根中间辅助弦杆组成两榀桁架（见图4），两榀桁架之间以直杆相连。其内力分析采用下述近似方法：即以上、下四榀高度均等于B1的水平桁架组成的复合桁架共同抵抗由水平风荷载产生的总弯矩Mmax，作为弦杆所承受的最大内力值N，同时还应满足该杆允许长细比的要求以确定其截面。

由风荷载产生的水平最大弯矩值为：

弦杆及辅助弦杆的最大内力为：

w——作用在栈桥上的风压设计值，kPa

H——栈桥的投影高度，m

L——栈桥的跨度，m

B1——复合桁架中一个分桁架的宽度，m

注意：1.当风向改变时，上述内力将变号，辅助弦杆一般按压杆计算。2.栈桥各抗风桁架的竖杆一般均由楼、屋面的横梁代替，设计横梁时，除应考虑支撑桁架传来的轴向力外，尚应考虑楼、屋面竖向荷载作用下的弯矩和剪力。

图5适用于走廊宽度较窄时，在煤矿设计中不常见，在此不做讨论。

2.3 端门架

钢桁架栈桥应在端部和支座位置设置封闭刚架[2]。端门架作为支撑桁架的支座，增加了栈桥的空间刚度，维持主桁架的稳定，保证主桁架在竖向平面内受力，同时能有效的把支撑桁架传来的风荷载传到栈桥支架上。因此，门架应具有足够的刚度和承载力，能承受支撑桁架传来的水平荷载和主桁架传来的竖直荷载。为此，门架的立柱与顶端横梁刚接，立柱下端与栈桥支架按铰接计算，梁、柱尽量采用H型钢制作。

3 构造要求

1） 栈桥桁架高度可取跨度的1/12～1/8，并应满足工艺检修要求：垂直于斜面的净高不应小于2.2m。主纵桁架节间可取2.0m～3.0m。桁架节间尺寸应与桁架高度协调，斜腹杆与桁架上、下弦的夹角可取30°～60°，夹角太小会造成节点设计困难。

2） 斜桁架下端支座可采用固定铰支座，上端和中部支座可采用滑动铰支座[2]。固定铰支座设置于支承高度较低的一端主要是避免让较高的支承结构承受水平。同时也避免了由于桁架下滑引起的下弦杆件附加应力。

4 结论

1） 当栈桥水平时，下倾式腹杆体系较三角形腹杆体系优越。

2） 当走廊跨度超过40m时，栈桥主桁架建议采用在下弦设置支撑拉杆的鱼腹式桁架。

3） 当走廊宽度较大（笔者认为大于6m）时，支撑桁架建议采用复合桁架。

参考文献

[1]结构力学教程（Ⅰ） ，龙驭球、包世华主编，高等教育出版社，2001

[2]煤矿矿井建筑结构设计规范 GB 50592-2010，中国计划出版社，2011