馮曉亮

摘 要：本文以國(guó)泰紙業(yè)（唐山曹妃甸）有限公司年產(chǎn)170萬(wàn)噸造紙生產(chǎn)線一期工程自備熱電廠中的1#輸煤棧橋?yàn)槔?，著重介紹在鋼結(jié)構(gòu)輸煤棧橋設(shè)計(jì)中，就平面模型和三維空間模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為今后的工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)輸煤棧橋;平面計(jì)算;PKPM（STS）;空間計(jì)算;Midas/Gen;有限元

1、工程概況和軟件介紹

本工程位于河北省唐山市曹妃甸開(kāi)發(fā)區(qū)。1#輸煤棧橋位于轉(zhuǎn)運(yùn)站與碎煤機(jī)房之間，全長(zhǎng)49.0m，棧橋?qū)?m，高3m，水平傾角16°;棧橋支柱采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部橋身結(jié)構(gòu)采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，橋身頂棚和側(cè)面采用輕型圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

PKPM（STS）是PKPM系列的一個(gè)功能模塊，既能獨(dú)立運(yùn)行，又可與PKPM其他模塊數(shù)據(jù)共享;可以完成鋼結(jié)構(gòu)的模型輸入、優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算、連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與施工圖輔助設(shè)計(jì)。本工程設(shè)計(jì)采用STS進(jìn)行平面建模計(jì)算。

Midas系列軟件是由韓國(guó)浦項(xiàng)集團(tuán)CAD/CAE研發(fā)機(jī)構(gòu)研發(fā)的以有限元為理論基礎(chǔ)的分析和設(shè)計(jì)軟件，Midas/Gen作為Midas Family Program之一， 是土木、建筑部門(mén)通用的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。本工程設(shè)計(jì)采用Midas/Gen進(jìn)行空間建模計(jì)算。

2、荷載及計(jì)算模型

2.1 荷載取值

1） 恒載（標(biāo)準(zhǔn)值）：屋面荷載為0.3kN/m2，因采用組合樓面，計(jì)算時(shí)取樓面荷載5.0kN/m2;

2）活載（標(biāo)準(zhǔn)值）：屋面活載取為0.4kN/m2，樓面荷載4.0kN/m2;

3）風(fēng)載：基本風(fēng)壓0.40kN/m2，地面粗糙度類別為A類;

4）地震作用：抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，特征周期值0.55s;

根據(jù)荷載規(guī)范及荷載取值，選取荷載組合工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體受力分析及變形計(jì)算。

2.2 計(jì)算模型

2.2.1 PK平面模型

一般我們計(jì)算鋼桁架棧橋都將其拆分為四個(gè)平面結(jié)構(gòu)體系：①由上弦桿、下弦桿、腹桿及端豎桿組成的主桁架，承受豎向荷載;② 由上下弦桿、橫梁及支撐組成的上下弦水平支撐桁架承受水平荷載;③ 支座處由立柱及橫梁組成的平面剛架承受兩個(gè)主桁架及支撐傳來(lái)的垂直及水平荷載。

用PKPM（STS）對(duì)主桁架進(jìn)行建模計(jì)算。輸入桿件截面尺寸時(shí)要注意各桿件的允許長(zhǎng)細(xì)比，按照規(guī)范相應(yīng)規(guī)定執(zhí)行。將輸煤棧橋所有荷載的一半折算成節(jié)點(diǎn)荷載施加到鉸接平面桁架上，最高端為滑動(dòng)支座，其余為鉸接支座。

2.2.2 Midas空間模型

將端柱與其相連的上下橫梁剛接，形成封閉的剛架，上下弦桿作為一根梁?jiǎn)卧c端柱形成平面框架，弦桿在節(jié)點(diǎn)處為連續(xù)的剛接節(jié)點(diǎn)，其他腹桿和橫梁在節(jié)點(diǎn)處以鉸接方式與弦桿鏈接。

3、分析截面及幾何尺寸

4、計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 結(jié)構(gòu)周期

Midas/Gen采用子空間迭代法進(jìn)行特征值向量分析。結(jié)構(gòu)的固有頻率先出現(xiàn)在剛度較小的方向和部位，對(duì)于本棧橋而言，橫向剛度相對(duì)較弱，所以第一振型為Y向的平動(dòng)，第二振型為X向的平動(dòng)，第三振型為Z向的彎曲加扭轉(zhuǎn)。

PKPM（STS）PK模型僅能計(jì)算X向平動(dòng)，周期T為0.708。

4.2 應(yīng)力比比較

PKPM（STS）計(jì)算的結(jié)果是應(yīng)力比，而邁達(dá)斯直接顯示的是應(yīng)力結(jié)果，故要將其轉(zhuǎn)化成應(yīng)力比后再行對(duì)比。

經(jīng)比較兩種模型發(fā)現(xiàn)，斜腹桿應(yīng)力比差別很小，比如圈出的斜腹桿，STS計(jì)算應(yīng)力比是0.54，邁達(dá)斯計(jì)算的應(yīng)力是127.1，應(yīng)力比就是127.1/215=0.59?？臻g模型的支座處的立柱、上下弦桿及豎腹桿應(yīng)力比大多都比平面模型的稍大一些。比如圈出的立柱、上弦桿及豎腹桿的應(yīng)力比分別為0.36，0.25和0.16，空間計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力分別為94.0，61.9和63.9，轉(zhuǎn)化為應(yīng)力比分別是0.43，0.29和0.30。支座處的立柱，上、下弦桿及豎腹桿空間模型計(jì)算的結(jié)果比平面模型的大，主要是因?yàn)榭臻g模型額外考慮了平面外傳來(lái)的水平荷載。

4.3 位移比較

結(jié)構(gòu)在恒載+活載（標(biāo)準(zhǔn)值）作用下兩種模型的節(jié)點(diǎn)位移圖

下表表示圖12圈出的點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)位移（STS/Gen）（節(jié)點(diǎn)從左到右依次編號(hào)）

從表中數(shù)據(jù)可以看出，兩種模型計(jì)算的節(jié)點(diǎn)位移有差別但是相差不大。

5、結(jié)語(yǔ)

1、經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)周期、應(yīng)力比及位移三個(gè)方面的對(duì)比，可以看出兩種模型在結(jié)構(gòu)周期及位移方面相差甚小，平面模型的參考價(jià)值很大，應(yīng)力比方面因空間模型額外考慮了平面外水平荷載，相對(duì)平面模型還是大一點(diǎn)，所以如果平時(shí)設(shè)計(jì)中采用平面模型進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，那么構(gòu)件的應(yīng)力比不能太大，建議0.7～0.8為宜。

2、采用空間模型計(jì)算鋼桁架棧橋時(shí)，力學(xué)概念明確，從整體分析空間受力情況，使得計(jì)算結(jié)果更加精確合理， 不易出錯(cuò)。但也必須對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判斷，避免建模時(shí)不恰當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化導(dǎo)致概念性錯(cuò)誤。

3、如采用平面模型計(jì)算時(shí)，應(yīng)按照本文前述將其分為幾個(gè)平面結(jié)構(gòu)體系分別計(jì)算，綜合考慮相互作用，這樣得到的結(jié)果就會(huì)更加接近空間模型，更加合理。

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[4] Midas 軟件使用手冊(cè)

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