钢管桁架结构在输煤栈桥工程中的应用

李兴坡

摘要：传统的栈桥通常采用角钢或槽钢型钢桁架，跨度较大时，人在栈桥上行走会有较强的颤动感。某煤矿通过采用空间钢管桁架结构形式栈桥实现61.9m跨大跨度栈桥，并解决了栈桥上行人时产生有较强颤动感的问题，获得了良好的经济效益。文中对该结构形式进行了三维模型计算，对重要节点进行了有限元仿真分析，并与传统型钢桁架栈桥用钢量进行对比分析。论证了该结构形式的可行性和合理性。该结构形式在大跨度栈桥设计中具有一定的推广意义。

关键词：栈桥;空间钢管桁架结构;相贯线连接;有限元;三维模型

1 引言

轻型钢结构作为一种主要的承重结构形式，其主要的构件是以经济型材构件为主，与传统结构体系相比较，由于其围护结构材料不同而使得性能较好，因此在煤矿建筑中的应用越来越广泛。传统的栈桥通常采用角钢或槽钢型钢桁架，经济跨度一般为30m，设计最大跨度不宜超过50m。且跨度较大时，人在栈桥上行走会有较强的颤动感（尤其是楼面采用钢骨架轻型板时）。因此，传统的栈桥结构形式已经不能满足大跨度工程的设计要求。空间钢管桁架结构以其简洁、美观的视觉效果及最大的截面刚度，广泛应用于工业厂房、储煤场、体育场等大跨度空间结构^[1]。该结构形式如能运用到栈桥中将能很好的解决栈桥颤动问题，并能够实现栈桥的大跨度。

普通型钢截面是单轴对称，且多数情况下桁架杆件是由刚度（长细比或稳定性）起控制作用。而在型钢截面面积相等的条件下，钢管截面的回转半径最大，约为双角钢的1.6～1.9倍，双槽钢的2.1～2.4倍。在強度相等的状况下，钢管杆件刚度最大。由于空间钢管桁架结构截面刚度较大，能够发挥钢材质量轻刚度大的优点，采用Q345B钢材，起到节能降耗的作用。

2 空间钢管桁架结构栈桥计算分析

山西某煤矿，主斜井井口房至原煤筛分站带式输送机栈桥跨度达到61.9m，而传统的型钢桁架跨度已无法满足设计要求。该工程采用上承式钢管桁架结构栈桥，其下部为圆钢管桁架结构，上部为门刚结构。本文对钢管桁架结构栈桥进行了计算分析及节点的有限元模拟，并与型钢桁架栈桥用钢量进行对比。目前，栈桥已投入运营，结构未出现颤动问题。

2.1 三维模型计算

传统的型钢桁架结构通常采用PKPM软件中STS模块计算，将一榀桁架进行平面受力计算，杆件的应力比控制在0.85左右，余下0.15倍的承载力用来抵抗计算模型中未计入的平面外地震作用和风荷载。空间钢管桁架结构分别采用MIDAS和MSTCAD二种计算程序进行三维模型计算，考虑几何大变形对结构受力的影响^[2][3][4]。工况组合中加入地震作用和风荷载，使结构模型受力形式更接近真实情况，更好的体现了空间结构的整体性能。

钢管桁架最大应力出现在跨中下弦杆GJ2，应力为179.5N/mm²，满足规范要求。二种软件计算结果较为接近。在标准组合下，栈桥竖向挠度值为146.4mm<[L/400]=154.8mm，满足设计要求。

2.2 空间相贯节点有限元分析

空间相贯节点是指处于不同平面的多根钢管通过相贯焊接的形式连接在一起而形成的钢管结构，是空间钢管桁架结构最主要的节点构造形式。

由于空间节点的应力状况非常复杂，很难通过理论方法精确地计算空间相贯节点的极限承载力。本文以下弦杆节点为研究对象，采用MIDAS FEA软件中的壳单元对空间相贯节点进行有限元仿真分析。计算中忽略焊缝以及残余应力影响。有限元分析中所用材料为Q345B钢材，轴向力为结构整体模型在最不利工况下计算的杆件设计值。计算得出的Von Mises应力云图如1所示，节点处的应力最大值出现在主管侧壁上与支管间搭接位置处、主管外侧。最大应力为267.6 N/mm²，满足规范要求，节点处受力较大、应力集中现象较为明显。

3 经济参数对比

用钢量是栈桥项目的主要经济数据，为对比空间钢管桁架结构栈桥与型钢桁架结构栈桥的经济效益，本文对山西、内蒙、甘肃等地煤矿的桁架栈桥工程用钢量进行了整理对比，对比结果见图2。根据用钢量对比图，可知：1）传统型钢结构栈桥经济跨度为30m; 2）钢管结构栈桥用量随结构跨度增大而线性增长;3）当栈桥跨度大于40m时，采用空间钢管结构能取得较好的经济效果。

4 结语

4.1 空间钢管桁架形式能够实现栈桥超大跨度的要求，该结构形式刚度较大，能够有效解决因栈桥刚度不足而产生的颤动问题。

4.2 空间钢管桁架结构通过三维模型计算，在工况组合中能够更好地体现风荷载和地震作用力对结构的影响，使结构模型受力形式更接近真实情况，更好的体现了空间结构的整体性能。

4.3 空间钢管结构应尽量避免同一个节点处连接多根钢管，且支管之间宜避免相互搭接，减少节点处应力集中。

4.4 当栈桥跨度大于40m时，采用空间钢管结构能取得较好的经济效果。

参考文献：

[1]董石麟， 罗尧治， 赵阳等. 大跨度空间结构的工程实践与学科发展[J] . 空间结构， 2005，12.

[2]郭栋 谢荣.输煤栈桥的设计现状和探讨[J].工业建筑 2012，S1

[3]文慧波.带式输送机通廊钢结构设计[J];工程设计与研究;2009年02期

[4]赵仕钗 火电厂输煤栈桥抗连续倒塌性能研究 [D]. 哈尔滨工业大学硕士论文，2012