李興坡

摘要：傳統(tǒng)的棧橋通常采用角鋼或槽鋼型鋼桁架，跨度較大時(shí)，人在棧橋上行走會(huì)有較強(qiáng)的顫動(dòng)感。某煤礦通過(guò)采用空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)形式棧橋?qū)崿F(xiàn)61.9m跨大跨度棧橋，并解決了棧橋上行人時(shí)產(chǎn)生有較強(qiáng)顫動(dòng)感的問(wèn)題，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。文中對(duì)該結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了三維模型計(jì)算，對(duì)重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元仿真分析，并與傳統(tǒng)型鋼桁架棧橋用鋼量進(jìn)行對(duì)比分析。論證了該結(jié)構(gòu)形式的可行性和合理性。該結(jié)構(gòu)形式在大跨度棧橋設(shè)計(jì)中具有一定的推廣意義。

關(guān)鍵詞：棧橋;空間鋼管桁架結(jié)構(gòu);相貫線連接;有限元;三維模型

1 引言

輕型鋼結(jié)構(gòu)作為一種主要的承重結(jié)構(gòu)形式，其主要的構(gòu)件是以經(jīng)濟(jì)型材構(gòu)件為主，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系相比較，由于其圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料不同而使得性能較好，因此在煤礦建筑中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。傳統(tǒng)的棧橋通常采用角鋼或槽鋼型鋼桁架，經(jīng)濟(jì)跨度一般為30m，設(shè)計(jì)最大跨度不宜超過(guò)50m。且跨度較大時(shí)，人在棧橋上行走會(huì)有較強(qiáng)的顫動(dòng)感（尤其是樓面采用鋼骨架輕型板時(shí)）。因此，傳統(tǒng)的棧橋結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)不能滿足大跨度工程的設(shè)計(jì)要求?？臻g鋼管桁架結(jié)構(gòu)以其簡(jiǎn)潔、美觀的視覺(jué)效果及最大的截面剛度，廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房、儲(chǔ)煤場(chǎng)、體育場(chǎng)等大跨度空間結(jié)構(gòu)^[1]。該結(jié)構(gòu)形式如能運(yùn)用到棧橋中將能很好的解決棧橋顫動(dòng)問(wèn)題，并能夠?qū)崿F(xiàn)棧橋的大跨度。

普通型鋼截面是單軸對(duì)稱，且多數(shù)情況下桁架桿件是由剛度（長(zhǎng)細(xì)比或穩(wěn)定性）起控制作用。而在型鋼截面面積相等的條件下，鋼管截面的回轉(zhuǎn)半徑最大，約為雙角鋼的1.6～1.9倍，雙槽鋼的2.1～2.4倍。在強(qiáng)度相等的狀況下，鋼管桿件剛度最大。由于空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)截面剛度較大，能夠發(fā)揮鋼材質(zhì)量輕剛度大的優(yōu)點(diǎn)，采用Q345B鋼材，起到節(jié)能降耗的作用。

2 空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)棧橋計(jì)算分析

山西某煤礦，主斜井井口房至原煤篩分站帶式輸送機(jī)棧橋跨度達(dá)到61.9m，而傳統(tǒng)的型鋼桁架跨度已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。該工程采用上承式鋼管桁架結(jié)構(gòu)棧橋，其下部為圓鋼管桁架結(jié)構(gòu)，上部為門剛結(jié)構(gòu)。本文對(duì)鋼管桁架結(jié)構(gòu)棧橋進(jìn)行了計(jì)算分析及節(jié)點(diǎn)的有限元模擬，并與型鋼桁架棧橋用鋼量進(jìn)行對(duì)比。目前，棧橋已投入運(yùn)營(yíng)，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)顫動(dòng)問(wèn)題。

2.1 三維模型計(jì)算

傳統(tǒng)的型鋼桁架結(jié)構(gòu)通常采用PKPM軟件中STS模塊計(jì)算，將一榀桁架進(jìn)行平面受力計(jì)算，桿件的應(yīng)力比控制在0.85左右，余下0.15倍的承載力用來(lái)抵抗計(jì)算模型中未計(jì)入的平面外地震作用和風(fēng)荷載。空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)分別采用MIDAS和MSTCAD二種計(jì)算程序進(jìn)行三維模型計(jì)算，考慮幾何大變形對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響^[2][3][4]。工況組合中加入地震作用和風(fēng)荷載，使結(jié)構(gòu)模型受力形式更接近真實(shí)情況，更好的體現(xiàn)了空間結(jié)構(gòu)的整體性能。

鋼管桁架最大應(yīng)力出現(xiàn)在跨中下弦桿GJ2，應(yīng)力為179.5N/mm²，滿足規(guī)范要求。二種軟件計(jì)算結(jié)果較為接近。在標(biāo)準(zhǔn)組合下，棧橋豎向撓度值為146.4mm<[L/400]=154.8mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 空間相貫節(jié)點(diǎn)有限元分析

空間相貫節(jié)點(diǎn)是指處于不同平面的多根鋼管通過(guò)相貫焊接的形式連接在一起而形成的鋼管結(jié)構(gòu)，是空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)最主要的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式。

由于空間節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀況非常復(fù)雜，很難通過(guò)理論方法精確地計(jì)算空間相貫節(jié)點(diǎn)的極限承載力。本文以下弦桿節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，采用MIDAS FEA軟件中的殼單元對(duì)空間相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元仿真分析。計(jì)算中忽略焊縫以及殘余應(yīng)力影響。有限元分析中所用材料為Q345B鋼材，軸向力為結(jié)構(gòu)整體模型在最不利工況下計(jì)算的桿件設(shè)計(jì)值。計(jì)算得出的Von Mises應(yīng)力云圖如1所示，節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在主管側(cè)壁上與支管間搭接位置處、主管外側(cè)。最大應(yīng)力為267.6 N/mm²，滿足規(guī)范要求，節(jié)點(diǎn)處受力較大、應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。

3 經(jīng)濟(jì)參數(shù)對(duì)比

用鋼量是棧橋項(xiàng)目的主要經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，為對(duì)比空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)棧橋與型鋼桁架結(jié)構(gòu)棧橋的經(jīng)濟(jì)效益，本文對(duì)山西、內(nèi)蒙、甘肅等地煤礦的桁架棧橋工程用鋼量進(jìn)行了整理對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖2。根據(jù)用鋼量對(duì)比圖，可知：1）傳統(tǒng)型鋼結(jié)構(gòu)棧橋經(jīng)濟(jì)跨度為30m; 2）鋼管結(jié)構(gòu)棧橋用量隨結(jié)構(gòu)跨度增大而線性增長(zhǎng);3）當(dāng)棧橋跨度大于40m時(shí)，采用空間鋼管結(jié)構(gòu)能取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

4.1 空間鋼管桁架形式能夠?qū)崿F(xiàn)棧橋超大跨度的要求，該結(jié)構(gòu)形式剛度較大，能夠有效解決因棧橋剛度不足而產(chǎn)生的顫動(dòng)問(wèn)題。

4.2 空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)通過(guò)三維模型計(jì)算，在工況組合中能夠更好地體現(xiàn)風(fēng)荷載和地震作用力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，使結(jié)構(gòu)模型受力形式更接近真實(shí)情況，更好的體現(xiàn)了空間結(jié)構(gòu)的整體性能。

4.3 空間鋼管結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免同一個(gè)節(jié)點(diǎn)處連接多根鋼管，且支管之間宜避免相互搭接，減少節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力集中。

4.4 當(dāng)棧橋跨度大于40m時(shí)，采用空間鋼管結(jié)構(gòu)能取得較好的經(jīng)濟(jì)效果。

參考文獻(xiàn)：

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