徐蘭芳

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司， 福建 龍巖 364000）

0 引言

圓管帶式輸送機(jī)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)管帶機(jī)）作為一種環(huán)保新型的連續(xù)輸送設(shè)備，逐步引起國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)的重視，越來(lái)越廣泛應(yīng)用于港口、冶金、電力及石油化工等行業(yè)，用來(lái)輸送煤、礦粉、硫鐵礦渣、糧食等散體物料。由于管帶機(jī)輸送線(xiàn)路長(zhǎng)，荷載較小，且桁架結(jié)構(gòu)是最經(jīng)濟(jì)的一種梁形式，所以桁架結(jié)構(gòu)及大跨度桁架結(jié)構(gòu)在圓管帶式輸送機(jī)設(shè)備中得到了大量的應(yīng)用。

1 工程概況

此項(xiàng)目為河南省漯河市某公司一條管徑300mm， 長(zhǎng)度871m 的輸送玉米的圓管帶式輸送系統(tǒng)，該41m 大跨度水平弧形鋼桁架由于要跨過(guò)一條近40m 的道路，由于場(chǎng)地受限，管帶機(jī)剛好在41m 大跨度位置出現(xiàn)一個(gè)很大的水平方向的轉(zhuǎn)彎，大跨度水平彎鋼桁架（偏心2.7m)在以前的項(xiàng)目中從未碰到過(guò)，幾乎找不到可以參考的相關(guān)資料，當(dāng)時(shí)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作帶來(lái)一定的難度和挑戰(zhàn)。

該41m 大跨度水平弧形鋼桁架在管帶機(jī)中部，不要求做成封閉形式，兩端總跨度直線(xiàn)距離為41m,寬2.6m,高2.85m，桁架中心線(xiàn)往外偏心2.7m,斷面形式（見(jiàn)下圖2）需做成為矩形（斷面內(nèi)放小桁架）且不允許做支撐，斷面內(nèi)小桁架兩邊為800mm 寬的檢修走道，走道鋪4mm 厚的花紋鋼板。結(jié)構(gòu)平面及立面布置圖（見(jiàn)下圖1）

圖1 結(jié)構(gòu)平面及立面布置圖

圖2 斷面形式

本工程的基本風(fēng)壓0.4KN/M2,地面粗糙度類(lèi)別為B 類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為70(0.10g),設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。本工程由于在北方，溫差很大，最高溫是36o，最低溫是-8o。

2 鋼桁架結(jié)構(gòu)計(jì)算

鋼桁架結(jié)構(gòu)主要按動(dòng)力特性和線(xiàn)性原理進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，采用上海同濟(jì)大學(xué)2012 年版3D3S 軟件三維空間整體建模計(jì)算分析。地震采用振型分解反應(yīng)譜法(CQC)計(jì)算，荷載按各專(zhuān)業(yè)提資和相關(guān)規(guī)范選取，取各種荷載工況組合下五種最不利的受力進(jìn)行設(shè)計(jì)及變形分析。

2.1 幾何模型

該桁架的上下弦及豎桿均采用熱軋H 型鋼，腹桿采用等邊雙拼角鋼，端部豎桿采用和上下弦桿相同規(guī)格的H 型鋼。由于考慮桁架是以變形起控制作用，所以鋼材采用Q235B 材質(zhì)。分別建立兩個(gè)模型對(duì)結(jié)構(gòu)時(shí)行建模分析，一種計(jì)算模型是只有桁架結(jié)構(gòu)（兩端均假設(shè)鉸支座），另一種計(jì)算模型是桁架和兩端柱子（柱高4.5m)一起整體結(jié)構(gòu)(兩端設(shè)四柱，柱腳連接均為固定支座連接)，分析兩種計(jì)算模型下最不利情況進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)。兩種計(jì)算模型三維模圖（見(jiàn)下圖3 和圖4）

圖3 （計(jì)算模型1）

圖4 （ 計(jì)算模型2）

2.2 荷載取值情況：

（1）恒載：包括工藝、電氣等專(zhuān)業(yè)荷載提資和結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重，如電纜橋架重1.0KN/m,托輥及皮帶重0.5KN/m,走道+欄桿重量1KN/m,桁架自重軟件自動(dòng)計(jì)算；

（2）活載：包括輸送的物料重量0.51KN/m,走道檢修荷載21KN/m2；

（3）風(fēng)載：基本風(fēng)壓為0.4KN/m2；面粗糙度類(lèi)別為B 類(lèi)，高度變化系數(shù)取1.0（柱子+桁架高度小于10m)；

（4）雪載：基本雪壓為0.4KN/m2；

（5）溫度荷載：最高溫是36o，最低溫是-8o(由于兩端假設(shè)為鉸支座，溫度應(yīng)力沒(méi)有釋放，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮溫度應(yīng)力的影響）；

（6）地震荷載：抗震設(shè)防列度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組。由于本工程為7 度地震區(qū)，按規(guī)范要求可以不考慮豎向地震作用，只計(jì)算兩個(gè)水平方向地震作用。地震力計(jì)算方法采用振型分解反應(yīng)譜法。地震作用由軟件自動(dòng)計(jì)算。

3 模型計(jì)算結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算：

對(duì)兩種模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，計(jì)算模型2 動(dòng)力分析結(jié)果更不利，計(jì)算模型2 計(jì)算結(jié)果：鋼桁架的前5 個(gè)周期，結(jié)構(gòu)固有頻率出現(xiàn)在剛度較小的方向和部位.鋼桁架的第一振型為豎向平動(dòng)（自振周期為0.458s），第二振型為前后方向平動(dòng)（自振周期為0.349s），第三振型為空間彎曲和扭轉(zhuǎn)（自振周期為0.172s），根據(jù)這些動(dòng)力分析說(shuō)明桁架中間位置剛度較小，這也說(shuō)明模型分析與實(shí)際結(jié)構(gòu)情況較相符。鋼桁架最大自振周期為0.458s，說(shuō)明結(jié)構(gòu)剛度在正常范圍內(nèi)，同時(shí)振型為整體建模分析，表明設(shè)計(jì)比較合理。

3.2 結(jié)構(gòu)位移計(jì)算：

對(duì)兩種模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，計(jì)算模型1 結(jié)構(gòu)位移更不利，且變形最大處均出現(xiàn)在桁架中部，說(shuō)明桁架中間位置剛度較小，這也說(shuō)明模型分析與實(shí)際結(jié)構(gòu)情況較相符。

計(jì)算模型1 計(jì)算結(jié)果如下：

(1)桁架豎桿頂最大水平位移為13mm < 高度H/150=19mm。

(2)最大饒度為77mm<規(guī)范要求跨度的1/400=103mm。

(3)該結(jié)構(gòu)各項(xiàng)變形均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

下圖5 為兩種模型結(jié)構(gòu)位移圖

圖5 兩種模型結(jié)構(gòu)位移圖

3.3 桁架構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算：

經(jīng)過(guò)對(duì)兩種模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，兩種情況強(qiáng)度剛度值差別不大，且應(yīng)力比最大地方都是在兩端豎桿及下弦桿（外?。﹥啥?。說(shuō)明桁架端部位置剛度較大，這也說(shuō)明模型分析與實(shí)際結(jié)構(gòu)情況較相符。

結(jié)構(gòu)最大強(qiáng)度應(yīng)力比為0.83<1,最大整體穩(wěn)定應(yīng)力比為0.85<1，受壓構(gòu)件最大長(zhǎng)細(xì)比為112<150,受拉構(gòu)件最大長(zhǎng)細(xì)比為201<250；

3.4 構(gòu)件截面及計(jì)算結(jié)果：

經(jīng)過(guò)軟件兩種模型進(jìn)行計(jì)算分析，最后構(gòu)件設(shè)計(jì)截面取5 種，上下弦兩端豎桿為HM250X175,上下前后平面的端部腹桿截面為雙拼角鋼2L90X6，上下前后平面的中部腹桿截面為雙拼角鋼2L80X6，端部豎桿為HW250X250,中部豎桿為HN250X125.總用鋼量為19.8 噸。

該桁架各個(gè)構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及長(zhǎng)細(xì)比、變形均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

4 總結(jié)了大跨度弧形鋼桁架設(shè)計(jì)中注意的要點(diǎn)：

（1）支座設(shè)計(jì)：經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，桁架兩端支座反力比較大，而且此部位是很關(guān)鍵的部位，支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)盡量留大一些的余量。

（2）設(shè)計(jì)時(shí)如何考慮溫度應(yīng)力的影響，如果桁架兩端支座假設(shè)為鉸接，溫度應(yīng)力就無(wú)法釋放，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

（3）注重節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)：上下弦桿件對(duì)接處一定要按等強(qiáng)設(shè)計(jì)，上下弦桿件對(duì)接處、豎桿與上下弦連接處均采用開(kāi)坡口熔透焊連接，其它腹桿連接采用角焊縫連接方式。

（4）此桁架是弧形偏心結(jié)構(gòu)，兩端柱子建議設(shè)計(jì)成四柱形式（剛度較好），如果柱子是鋼柱設(shè)計(jì)時(shí)要和桁架一起整體建模分析。

（5）設(shè)計(jì)時(shí)桿件兩端鉸接或剛接假設(shè)，一定要確保與實(shí)際情況相符。如桁架斷面假設(shè)為剛接，一定要做三角加勁液（詳見(jiàn)斷面圖），實(shí)際才能達(dá)到剛接效果。

（6）此桁架是弧形偏心結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)建模分析發(fā)現(xiàn)，豎桿頂?shù)淖兏ㄎ灰疲┢鹂刂谱饔?，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，從結(jié)構(gòu)形式、豎桿強(qiáng)弱軸方向等措施保證斷面的足夠剛度。

（7）此桁架跨度比較大，要在設(shè)計(jì)說(shuō)明注明安裝時(shí)要起供，起供高度為跨度的1/500。

5 結(jié)論

采用3D3S 軟件兩種模型三維空間整體建模分析計(jì)算，與傳統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)方法相比，計(jì)算結(jié)構(gòu)更為準(zhǔn)確，對(duì)于大跨度、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)采用三維計(jì)算軟件進(jìn)行分析計(jì)算，如果柱子也是鋼柱，最好桁架和柱子一起整體建模分析計(jì)算。

以上是我結(jié)合工程實(shí)際的一點(diǎn)淺談，對(duì)結(jié)構(gòu)形式、計(jì)算模型的建立、荷載取值、結(jié)構(gòu)計(jì)算方法、兩端支座的假設(shè)及計(jì)算結(jié)果合理性分析，總結(jié)了大跨度弧形鋼桁架設(shè)計(jì)中注意的要點(diǎn)。在今后的設(shè)計(jì)中，我們會(huì)認(rèn)真聽(tīng)取施工、運(yùn)行上的意見(jiàn)，不斷總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，使圓管帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

此項(xiàng)目已投入運(yùn)行將近2 年，此鋼桁架均未出現(xiàn)任何問(wèn)題，該桁架的設(shè)計(jì)得到業(yè)主和公司領(lǐng)導(dǎo)一致好評(píng)和認(rèn)可。圖6 為項(xiàng)目竣工后實(shí)景照片。

圖6 項(xiàng)目竣工后實(shí)景