钢结构输煤栈桥设计及力学问题分析.pdf

夏卫国等 钢结构输煤栈桥设计及力学问题分析 7 9 钢结构输煤栈桥设计及力学 问题分析 夏卫国， 王风祺， 张锐 山东建筑大学 ， 济南2 5 0 1 0 1 【 摘要】 本文介绍了山东省莱芜市钢结构输煤栈桥的设计及力学问题分析。设计中分别采用平面结构的 计算方法对栈桥桁架进行分析， 运用 S T A A D ． P R O采用空间受力体系对输煤栈桥行整体计算分析。介绍了栈桥的 方案选取、 结构选型、 结构计算以及支座节点和基础设计。 【 关键词】 输煤栈桥设计； 空间整体架构； 有限元分析； 滑动支座 【 中图分类号】 T U 3 9 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 4 0 9 0 0 7 9 0 2 1 工程概况 本工程为山东省莱芜市钢结构输煤栈桥 ， 通过对实地 的勘察与提供的相关材料 ， 初步选取栈桥跨度为 8 0 m， 起点 为除铁间中心线， 标高为 5 ． 6 m； 终点为煤仓转运站 ， 填埋后 的设计标高与路面相同， 应业主要求终点皮带机标高为 3 5 ． 0 0 m 。综合考虑造价各方面等因素， 栈桥支架初选钢框架。 确定了最后设计方案。图 1为栈桥立面示意图。 2 栈桥上部结构设计 1 计算简图。一般对于输煤栈桥采用平面结构方 法的方式进行计算分析 ， 由前后垂直平面桁架承受由顶部 和底部结构传来的竖向荷载， 桥面和屋面按楼层梁设计传 递竖向荷载和水平风荷载， 两端支座处由两个平面刚架承 受由前后垂直支架和顶部与底部梁格传来的垂直和水平荷 载。本设计采用 S T A A D ． P R O利用空间受力体系整体计算 模型进行三维计算分析。其 中栈桥杆件采用三维梁单元， 桥面采用板单元。屋面采用刚度大的支撑模拟其刚度。材 料为钢材， 弹性模量为 2 ． 0 6 X 1 0 N ／ mm 2 ， 密度为 7 8 0 0 k g ／ m ； 所有构件之间部分刚接部分铰接。输煤荷载按线荷载 形式加在相应面梁上。 2 荷载取值和场地类别。根据建设单位提供的数 据 ， 结合 G B 5 0 0 0 9 2 0 1 0 建筑结构荷载规范 ， 荷载取值 如下 基本风压 0 ．4 5 k N ／ m 2 基本雪压 0 ．3 0 k N ／ m 图1 栈桥立面图 5 刚度分析。计算整体结构在各种荷载作用下的 节点位移， 部分节点位移值。将外力转化为节点质量单元 ， 恒载 上弦 0 ．9 k N ／ m z ， 下弦 1 ．4 k N ／ m 活载 上弦0 ．5 k N ／ m2 ， 下弦 1 ． 2 k N ／ m 2 场地类别为 Ⅱ类 ， 抗震设防烈度为 7度 ， 设计地震加速 度值 0 ．1 5 g ， 设计地震分组为第二组， 建筑抗震设 防分类为 乙类 。 3 荷载组合 。根据现行国家荷载规范， 荷载组合考 虑了恒载为主的组合、 活载为主的组合以及风荷载组合。 荷载分项系 恒载取 1 ．2 ／ 1 ．3 5 ； 活载取 1 ．4 ； 风载取 1 ．4； 地震取 1 ．3 。荷载组合系数 活载取0 ．7 ； 风载取 0 ．6 。 4 构件设计。用 S T A A D． P R O软件建立栈桥空间 模型， 如图2 所示。在计算模型中把面荷载转化为线荷载 ， 荷载标准值为 上平面节点恒载为 5 k N， 节点活载为 8 k N； 下 平面节点恒载为 8 k N， 节点活载为 2 0 k N 。节点 z向风荷载 为 3 ．5 k N。先按各标准值计算 ， 得出结果按上述荷载组合 方式进行组合。根据各组合值分析 ， 应力最大发生在主梁 跨中， 此外端柱和支座附近斜杆应力较大， 部分轴 向力为压 力的单元组合应力最大值 ， 部分轴 向力为拉力的单元组合 应力最大值。最后根据计算分析结果和规范构造要求， 确 定本栈桥为封闭式运煤栈桥， 结构高度为3 5 ．0 0 m。端刚架 采用 H W3 5 0 3 5 0， 上下主梁采用 H M3 4 0 X 2 5 0 。侧面竖杆 采用 L 1 5 0 X 1 2双十字角钢， 斜杆采用 L 1 0 01 0和 L 1 2 5 X 1 0 两种等边角钢组合。上下水平次梁也采用 H M 2 0 0 X 2 0 0与 主梁刚接 ， 支撑采用 L 1 0 0 X 1 0角钢组合。 图2 栈桥空间模型 对整体结构作谱分析。分别按 、l ， 、 z三个激励方向输入 反应谱， 分析结构的节点位移， 节点的组合位移为 自重荷载 ． 基 互 鑫 警 驾 蕊 署■ } ． f ． 徐如泉等 某博览中 t , - - 期钢结构安装施工技术 8 5 4 计算模拟分析 1 胎 架受力分 析。支撑胎架平 面尺 寸 1 ． 2 m 1 ． 2 m， 设计高度 H 2 0 m， 承担的主结构重量取 3 0 t 标准值； 胎架主肢采用 D1 1 4 X 8 ， 斜缀条、 抗扭缀条及水平缀条采用 D 4 23 ， 顶部分配梁采用 H W2 0 02 0 0 81 2 ， 传力梁采用 双排 H W2 0 02 0 081 2 ， 杆件材质均为 Q 2 3 5 B； 经计算， 胎架受力满足要求。 2 大型吊机上楼面分析。根据徐工 1 6 0 t 汽车吊的 行驶状态技术参数及轮胎 的外形尺寸， 对 1 、 2 馆 4 ． 5 m X 4 ． 5 m的双向板进行承载力校核时， 根据 1 6 0 t 汽车吊吊机行 走的实际情况选取不利的几种工况， 具体荷载布置及计算 结果如下 图9荷载工况④作用下 双向板最大弯矩 图 最大为2 5 ． 2 k N m／ m 由有限元计算结果可知， 双向板在几种荷载作用下的 工况④最大弯矩值为 2 5 ． 2 k N m ／ m， 根据最大弯矩相等的原 则， 可反推出等效均布荷载的值 一 1 ／ z 0 ． 0 3 6 8 g f 2， q2 8 ． 9 k N ／ m 3 0 k N ／ m ， 该楼板可以满足吊机的 行走要求。 5结语 本工程钢结构张弦梁采用“ 临时支撑双组合胎架、 分三 段高空散装、 吊机上楼面吊装” 施工工艺， 分区域流水施工， 合理地选择吊装工艺， 编织了严谨 的施工方案， 进行严格管 理和精心施工， 得到业主、 监理的充分认可， 取得 了良好的 社会经济效益 ， 也对对今后类似工程的建设具有较好的参 考价值。 参考文献 [ 1 ] 吕李清， 等． 大跨度体内预应力张弦梁结构的施工技术[ J ] ． 施 工技术 ， 2 0 0 8 ， 4 3 7 6 1 6 3 [ 2 ] 刘芳， 等． 南京新会展中心展厅张弦梁施工问题研究[ J ] ． 施 工技术 ， 2 0 0 8 ， 5 1 2 4 7 5 O ． [ 3 ] 陈皓， 杜进 ， 施文一． 南京会展中心张弦梁施工技术[ J ] ． 施工 技术 ， 2 0 0 8 ， 6 3 7 3 0 03 0 2 ． [ 4] 丁生根． 南京 会展 中心 主张厅 屋架 结 构设 计 [ J ] ． 空 间结 构 ， 2 0 1 0 ， 6 8 1 8 5 ． [ 5 ] 建筑结构静力计算手册 第二版 [ M ] ． [ 收稿 日 期] 2 0 1 4 0 5 一 o 5 【 作者简介 ] 徐如泉 1 9 7 3一 ， 男 ， 安徽滁州 人 ， 高级工程 师 ， 从事项 目工程施工及 管理工作。 上接第8 0页 度， 采用7 ．8 59 ．8 4 N ／ mm 。 2 橡胶垫板厚度设计。 公式 W D t a n 。 其 中 是在温度或地震作用下在支座处沿跨度方向计算产生水平 位移的最大值 ； t a n 是所能采用的最大剪切角， 为 t a n 0 ． 7 ；D是垫板厚度， 根据构造要求， 最后确定支座橡胶垫块 尺寸为4 5 04 5 07 0， 垫块顶板和底板尺寸采用 5 0 05 0 0 2 0钢板。 3 橡胶垫板压缩变形设计。 压缩变形过大会导致橡 胶和薄板处构造连接受到， 然而过小的压缩变形又可导致 垫板和支座底板局部脱空， 因而会形成垫板的局部承压。 据 构造要求 0 ． 0 5 ≥ ≥ 0 ． 5 0 b ／ ／ E ， 为垫板压缩变形平均； 为支座处最大转角t a d 。 4 橡胶垫板抗滑设计。 要求橡胶垫板不会发生滑移 破坏， 就必须在水平力作用下按照公式进行抗滑移设计 ≥ G Au ／ d 式中， 弘是接触面的摩擦系数 ； S为乘以荷载分项系数 0 ．9的永久荷载标准值所产生的支座反力 ； G为橡胶垫板抗 剪弹性模量， 取 0 ． 9 8 ～ 1 ． 4 7 N ／ ram 。 支座锚栓直径根据锚 固要求取 3 0 m m。 5 栈桥地基和基础设计 鉴于施工现场地质条件较好， 地基为岩石 ， 可以满足承 载力和变形要求， 故本设计基础采用独立基础。 地基承载力特征值为 4 0 0 M P a ， 如图 5基础布置图。在构柱 框架下部设6 ． 0 m3 ． 0 m与 3 ． 0 m X 3 ． 0 m独立基础， 如图 6 基础详图。 6结语 对于栈桥工程， 提出用 S T A A D ． P R O进行空间整体设计 的方法来共同水平方向荷载和承担垂直方向荷载。同一般 的平面结构设计方法进行对比， 力学概念明确 ， 而且采用空 间整体分析空间受力情况， 计算结果更为准确， 出错率较 低。与此同时通常像这些具有爬升坡度的栈桥， 低端采用 橡胶滑动铰支座更有利于结构释放温度应力和减少对下部 结构的推力效用。 参考文献 [ 1 ] G B 5 0 0 1 ． 7- 2 0 0 3 ， 钢结构设计规范[ s ] ． [ 2 ] G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 ， 建筑抗震设计规范[ s ] ． [ 3 ] 魏明钟主编 ． 钢结构[ M] ． 武汉 武汉理工大学出版社， 2 0 0 2 1 O ． [ 4 ] 黄呈伟， 李海旺， 等编． 钢结构设计[ M] ． 北京 科学出版社， 2 o o 5 ． [ 5 ] 周维娟 ． 钢找桥设计的体会[ J ] ． 煤炭工程， 2 0 0 1 ， 1 ． [ 收稿日期] 2 0 1 4 - 0 5 1 9 [ 作者简介】 夏卫国 1 9 8 8一， 男 ， 山东济南 人 ， 硕士研 究生 ， 从 事结 构工程研究 。