关于“砼支柱-钢桁架”输煤栈桥结构设计的探讨

张杰 杨勇

摘 要：通过对某工程采用混凝土支柱上钢桁架输煤栈桥结构的计算分析，与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

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Il类;基本雪压0.35kN/m2。

本段栈桥长100.2米，檐口最低18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。

本段栈桥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，常见两种结构方案：

1）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。不过此方案结构自重小，在栈桥比较窄比较高的情况下，风载作用下抗倾覆不利。

2）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。

通过有限元软件MIDAS建立三个方案的模型，发现如下问题：

（1）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拉压受力交替状态，不利于钢结构的稳定。（2）混凝土支柱，上部桁架桥体的模型。当柱截面为700x700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，栈桥横向抗倾覆验算满足要求。

鉴于以上两方案模型的分析，认为2方案较为合理：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。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：这种楼板结构自重较大、整体性好，能为钢桁架抗风提供必要压重。

根据《火力发电厂土建结构技术规定》，桁架两端应设门型钢架，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。

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采用4柱框架：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。4柱支架之间高度上每隔6米左右拉连梁;每柱截面为700×700;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350×700，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

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25米。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H200×150×6×9。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。弦杆两端头与门型钢架铰接连接。上下弦杆最大应力比0.85，对应长系比82。

2）楼屋面设计计算。楼面横梁为H200×180×8×12，间距不大于1600，两端铰接于桁架下弦。其上铺设Y×B76-344-688，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。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H200×150×6×9，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L80×6，作为桁架垂直支撑。屋面横梁之间×型交叉角铜拉条规格L75×6。

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

[1]钢结构设计标准（GB50017-2017）。北京：中国建筑工业出版社。

[2]混凝土结构设计规范（GB50010-2010）北京：中国建筑工业出版社。

[3]建筑抗震设计规范（65111-2001）.北京：中国建筑工业出版社。

[4]钢結构设计手册（第3版）。北京：中国建筑工业出版社。

[5]钢结构设计规范理解与应用。北京：中国建筑工业出版社。