大跨度輸煤棧橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

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Discussion on Structure Design of Large Span Coal Conveying Viaduct 

張紅珊，范　潔 

（河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050031）

　　摘　要：通過(guò)對(duì)棧橋和網(wǎng)架在大跨度輸煤棧橋中的應(yīng)用進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，證明輸煤棧橋采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的。
　　關(guān)鍵詞：火電廠；輸煤棧橋；建筑設(shè)計(jì)

　　Abstract：Through the use of economic comparison between viaduct and  reticulated framed structures used in coal conveying viaduct, the reticulated framed structure is proved an advanced and economic technology adopted in large span coal conveying viaduct
　　Keywords：thermal power plant;coal conveying viaduct；structure design

　　某電廠新上一套輸煤系統(tǒng)，最長(zhǎng)一段118 m，分4個(gè)柱距，跨度有24 m、27 m、30 m 3種形式，最高標(biāo)高38 m。以下主要論述30 m棧橋的設(shè)計(jì)，對(duì)棧橋的橋體結(jié)構(gòu)和橋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，以進(jìn)一步降低造價(jià)。 

1橋體結(jié)構(gòu)形式分析
　　目前國(guó)內(nèi)大跨度輸煤棧橋結(jié)構(gòu)形式一般采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),用于封閉式棧橋較為合理，既起到了承受荷載的作用，又為封閉體系提供了骨架。
　　當(dāng)棧橋露天布置時(shí)，采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面均有先進(jìn)性，其優(yōu)勢(shì)主要在于：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)輕巧美觀，組成簡(jiǎn)潔明快，大大豐富了電廠的建筑造型；構(gòu)件工廠化加工，可節(jié)約施工占地，并且加工質(zhì)量有保證；由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)空間剛度大，構(gòu)件受力合理，具有先進(jìn)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，符合業(yè)主的根本利益。
　　結(jié)合電廠的實(shí)際情況，下面選擇平面桁架結(jié)構(gòu)形式和空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行綜合比較。? 

2桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1桁架形式確定
　　在常規(guī)設(shè)計(jì)中，桁架主要有平行弦式和下?lián)问?/span>2種結(jié)構(gòu)形式。平行弦桁架的支座位于下弦兩端節(jié)點(diǎn)，故在其高度范圍內(nèi)，桁架可用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)墻骨架；當(dāng)采用平行弦桁架時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，DL 50221993《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(簡(jiǎn)稱規(guī)范)規(guī)定應(yīng)在兩端設(shè)門形剛架，在桁架的上弦和下弦處，宜通長(zhǎng)設(shè)置桁架間縱向水平支撐，同時(shí)設(shè)置橫向垂直支撐。而下?lián)问借旒艿闹ё挥谏舷叶斯?jié)點(diǎn)，由于其自重對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有利，故規(guī)范規(guī)定在桁架之間，沿全長(zhǎng)設(shè)置上弦縱向水平支撐，同時(shí)設(shè)置橫向垂直支撐即可；下?lián)问借旒艿慕Y(jié)構(gòu)形狀，更接近構(gòu)件的彎距包絡(luò)圖，受力更合理。綜合考慮2種桁架形式，因本工程采用露天棧橋，不需側(cè)圍護(hù)，且考慮下?lián)问借旒苁芰Ω侠?，造價(jià)更節(jié)省，故選定下?lián)问借旒芙Y(jié)構(gòu)形式。
2.2桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　桁架結(jié)構(gòu)的高度按1/8～1/10跨度確定，考慮到實(shí)際工程應(yīng)用和建筑外形美觀，選用矢高3.0 m進(jìn)行設(shè)計(jì)。桁架外形見(jiàn)圖1，現(xiàn)場(chǎng)傾斜16°。

　　桁架之間上弦通長(zhǎng)設(shè)水平縱向支撐，間距3 m，共10跨；豎向于3.0 m高腹桿處設(shè)橫向垂直支撐，共3道。兩榀鋼桁架之間每隔3 m設(shè)水平橫梁1道，用于支承棧橋皮帶及縱梁；水平橫梁間設(shè)置縱梁以支撐走道板及格柵板，平面圖見(jiàn)圖2。桁架兩端一端固定，一端滑動(dòng)。

2.2.1荷載取值(標(biāo)準(zhǔn)值)
　　永久均布荷載格柵板自重：0.7 kN/m2；
  可變均布荷載橋面活荷：4.0 kN/m2；
　　可變集中荷載橫梁上：18 kN/處，共4處，受力如圖3所示。 

2.2.2構(gòu)件計(jì)算與選用
　　a. 縱梁主要承受格柵板所傳的可變荷載、格柵板自重及縱梁自重，根據(jù)計(jì)算，可選用2］［10，自重為0.2 kN/m。
　　b. 橫梁主要承受工藝荷載、縱梁所傳荷載及自?重荷載，根據(jù)計(jì)算，可選用2］［36a，自重為0.96 kN/m。
　　c. 根據(jù)前面所列荷載，鋼桁架節(jié)點(diǎn)受力為：可變荷載P1=80 kN（隔節(jié)點(diǎn)有），永久荷載P2=15 kN（隔節(jié)點(diǎn)有），桁架及支撐自重P3=8 kN（每節(jié)點(diǎn)均有）。輸入《鋼桁架計(jì)算程序》（TSCAD）得：上弦桿2∠180×14；下弦桿2∠180×14；端腹桿2∠160×12；中腹桿2∠110×10；輔助腹桿2∠90×8。
　　d. 水平支撐選用2∠80×8。
　　e.  垂直支撐選用2∠100×10。
2.3桁架結(jié)構(gòu)體系自重
　　每榀桁架自重88 kN，約8.8 t，共2榀；
　　每根鋼梁自重6.72 kN，約0.672 t，共11根；
　　每根縱梁自重6 kN，約0.6 t，共6根；
　　每榀水平支撐1.5 kN，約0.15 t，共10榀；
　　每榀橫向垂直支撐4.0 kN，約0.4 t，共3榀。
　　由此可知結(jié)構(gòu)總重為 31.3 t。? 

3網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3．1 形式確定
　　本工程輸煤棧橋橫向?qū)挾葹?/span>7 m，總長(zhǎng)度118 m，跨度一般為27 m，最大跨度為30 m，屬于中型網(wǎng)架。設(shè)計(jì)中由于工藝荷載較大，桿件內(nèi)力較大，國(guó)產(chǎn)最大螺栓也無(wú)法滿足要求，所以采用焊接球方案，此方案對(duì)于露天結(jié)構(gòu)的防腐維護(hù)十分有利。
　　橫向網(wǎng)格尺寸2 400 mm，縱向網(wǎng)格尺寸2 400 mm或3 000 mm，進(jìn)行了正放四角錐、斜放四角錐、上弦4點(diǎn)支承、下弦4點(diǎn)支承、上弦6點(diǎn)支承、下弦6點(diǎn)支承、有無(wú)邊桁架等方案的計(jì)算、比較，最終確定橫向網(wǎng)格尺寸2 400 mm、縱向網(wǎng)格尺寸3 000 mm、高度3 000 mm、上弦4點(diǎn)支承的正放四角錐焊接球網(wǎng)架為最佳方案。從理論上講，形成邊桁架提高了網(wǎng)架的整體剛度，對(duì)結(jié)構(gòu)有利。但在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，由于邊桁架中有些桿件空中角度較小，雖然內(nèi)力分析、桿件選型均能滿足，卻無(wú)法滿足桿件焊接構(gòu)造要求，這點(diǎn)需在今后的設(shè)計(jì)中進(jìn)一步改進(jìn)。
3．2網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析
　　網(wǎng)架高度按L/10～L/15確定(L為縱向跨度)。最初采用網(wǎng)架高2.5 m，構(gòu)件內(nèi)力較大，最大桿件用到φ180 mm×14 mm,并且30%的桿件都采用此規(guī)格，網(wǎng)架總重為15.6 t，當(dāng)改用網(wǎng)架高度為3.0 m時(shí)，構(gòu)件內(nèi)力大幅減小，最大桿件僅為φ146 mm×14 mm，網(wǎng)架總重降為12.5 t，網(wǎng)架撓度也大幅減少。因下部?jī)艨詹皇芟拗疲矢叨榷?/span>3.0 m。網(wǎng)架外形見(jiàn)圖4，現(xiàn)場(chǎng)傾斜16°。

　　網(wǎng)架上弦每隔3 m設(shè)水平橫梁1道，用于支承棧橋皮帶；水平橫梁間設(shè)置縱梁以支撐走道板及格柵板。網(wǎng)架兩端一端固定，一端滑動(dòng)（高處）。
3.2.1荷載取值(標(biāo)準(zhǔn)值)
　　荷載取值與2.2.1同。
3.2.2構(gòu)件計(jì)算與選用
　　a. 縱梁主要承受格柵板所傳的可變荷載、格柵板自重，據(jù)計(jì)算可選用2］［8，自重為0.16 kN/m。
　　b. 橫梁主要承受工藝荷載、縱梁所傳荷載及自重荷載，根據(jù)計(jì)算用2］［16a，自重為0.34 kN/m。
　　c. 根據(jù)前面所列荷載，網(wǎng)架上弦節(jié)點(diǎn)受力為：可變荷載P1=5 kN（每節(jié)點(diǎn)均有）；永久荷載P2=30kN(每節(jié)點(diǎn)均有)。
3．3網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系自重
　　將上述參數(shù)輸入《網(wǎng)架計(jì)算程序》（TRUSS）進(jìn)行計(jì)算，可得：
　　網(wǎng)架自重12.5 t；
　　每根鋼梁自重2.4 kN，約0.24 t，共11根；
　　每根縱梁自重4.8 kN，約0.48 t，共6根；
　　由此可知，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)自重 18.02 t。? 

4橋體結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)比較
　　將30 m跨（鋼格板橋面）輸煤棧橋采用鋼桁架和網(wǎng)架方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，詳見(jiàn)表1。

　　通過(guò)比較可知：輸煤棧橋采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)無(wú)論技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上都是合理的。? 

5棧橋樓面結(jié)構(gòu)選型
　　以往棧橋樓面大都采用1.2 mm厚壓型鋼板作底模的鋼筋混凝土樓面，這種樓面自重大，耗鋼量較大。電廠中的很大一部分棧橋很高，最高一段達(dá)到42 m。現(xiàn)場(chǎng)混凝土施工時(shí)需采用特殊工藝和設(shè)備加壓、加高，施工周期長(zhǎng)且工藝復(fù)雜，需要大量人力、物力、財(cái)力。而且由于棧橋長(zhǎng)、匯水面積大，棧橋根部與轉(zhuǎn)運(yùn)站接口處排水困難。根據(jù)河北省預(yù)算定額進(jìn)行綜合分析、計(jì)算，鋼筋混凝土橋面合465元/m2 (包括壓型鋼板底模)。
    近幾年，在運(yùn)煤碼頭、鋼廠等棧橋設(shè)計(jì)中，樓面結(jié)構(gòu)采用格柵板。這種樓面形式自重小，僅為混凝土樓板的1/5，下部橋體的耗鋼量也隨之降低。且現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，不需要大型設(shè)備，施工現(xiàn)場(chǎng)整齊有序，時(shí)間短，比混凝土橋面節(jié)約一半的施工時(shí)間。目前格柵板橋面的市場(chǎng)價(jià)格合350元/m2。
　　因此本工程輸煤棧橋采用格柵板橋面為宜。? 

6運(yùn)行中的問(wèn)題討論
　　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般用于靜力結(jié)構(gòu)，用于類似輸煤棧橋這樣的直接承受皮帶震動(dòng)荷重的結(jié)構(gòu)還沒(méi)有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。皮帶運(yùn)行時(shí)是否會(huì)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)本身發(fā)生共振是設(shè)計(jì)人員和業(yè)主關(guān)心的問(wèn)題。
　　皮帶運(yùn)行速率為1.6 m/s,振源托滾速度為276 r/min（4.6 r/s）。也就是說(shuō)，皮帶在正常同步運(yùn)行的工況下，振動(dòng)力在不考慮支架的情況下頻率為4.7 r/s?,振動(dòng)周期為0.21 s。通過(guò)計(jì)算，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的自振周期為11.32 s。這兩者的自振周期相差很大，不會(huì)發(fā)生共振。
　　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較以往桁架結(jié)構(gòu)在運(yùn)行維護(hù)中有許多優(yōu)勢(shì)。采用焊接網(wǎng)架，整個(gè)橋體沒(méi)有死角，防腐優(yōu)于桁架結(jié)構(gòu)；采用鋼格柵板橋面，自由散水，避免了以往棧橋根部排水困難的問(wèn)題。這些均大大降低了運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用。? 

7結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)以上分析及經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較可知，輸煤棧橋采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的。因此在電廠工程中，輸煤棧橋推薦采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)橋體、鋼格柵板橋面。