大跨度输煤栈桥结构设计探讨

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Discussion on Structure Design of Large Span Coal Conveying Viaduct 

张红珊，范　洁 

（河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄050031）

　　摘　要：通过对栈桥和网架在大跨度输煤栈桥中的应用进行经济性比较，证明输煤栈桥采用网架结构是技术先进、经济合理的。
　　关键词：火电厂；输煤栈桥；建筑设计

　　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

　　某电厂新上一套输煤系统，最长一段118 m，分4个柱距，跨度有24 m、27 m、30 m 3种形式，最高标高38 m。以下主要论述30 m栈桥的设计，对栈桥的桥体结构和桥面结构进行优化分析，以进一步降低造价。 

1桥体结构形式分析
　　目前国内大跨度输煤栈桥结构形式一般采用钢桁架结构，这种结构有成熟的应用经验,用于封闭式栈桥较为合理，既起到了承受荷载的作用，又为封闭体系提供了骨架。
　　当栈桥露天布置时，采用空间网架结构在技术、经济方面均有先进性，其优势主要在于：网架结构轻巧美观，组成简洁明快，大大丰富了电厂的建筑造型；构件工厂化加工，可节约施工占地，并且加工质量有保证；由于网架结构空间刚度大，构件受力合理，具有先进的经济指标，符合业主的根本利益。
　　结合电厂的实际情况，下面选择平面桁架结构形式和空间网架结构形式进行综合比较。? 

2桁架结构设计
2.1桁架形式确定
　　在常规设计中，桁架主要有平行弦式和下撑式2种结构形式。平行弦桁架的支座位于下弦两端节点，故在其高度范围内，桁架可用于围护结构的侧墙骨架；当采用平行弦桁架时，为保证结构的整体稳定，DL 50221993《火力发电厂土建结构设计技术规定》(简称规范)规定应在两端设门形刚架，在桁架的上弦和下弦处，宜通长设置桁架间纵向水平支撑，同时设置横向垂直支撑。而下撑式桁架的支座位于上弦端节点，由于其自重对结构稳定有利，故规范规定在桁架之间，沿全长设置上弦纵向水平支撑，同时设置横向垂直支撑即可；下撑式桁架的结构形状，更接近构件的弯距包络图，受力更合理。综合考虑2种桁架形式，因本工程采用露天栈桥，不需侧围护，且考虑下撑式桁架受力更合理，造价更节省，故选定下撑式桁架结构形式。
2.2桁架结构设计
　　桁架结构的高度按1/8～1/10跨度确定，考虑到实际工程应用和建筑外形美观，选用矢高3.0 m进行设计。桁架外形见图1，现场倾斜16°。

　　桁架之间上弦通长设水平纵向支撑，间距3 m，共10跨；竖向于3.0 m高腹杆处设横向垂直支撑，共3道。两榀钢桁架之间每隔3 m设水平横梁1道，用于支承栈桥皮带及纵梁；水平横梁间设置纵梁以支撑走道板及格栅板，平面图见图2。桁架两端一端固定，一端滑动。

2.2.1荷载取值(标准值)
　　永久均布荷载格栅板自重：0.7 kN/m2；
  可变均布荷载桥面活荷：4.0 kN/m2；
　　可变集中荷载横梁上：18 kN/处，共4处，受力如图3所示。 

2.2.2构件计算与选用
　　a. 纵梁主要承受格栅板所传的可变荷载、格栅板自重及纵梁自重，根据计算，可选用2］［10，自重为0.2 kN/m。
　　b. 横梁主要承受工艺荷载、纵梁所传荷载及自?重荷载，根据计算，可选用2］［36a，自重为0.96 kN/m。
　　c. 根据前面所列荷载，钢桁架节点受力为：可变荷载P1=80 kN（隔节点有），永久荷载P2=15 kN（隔节点有），桁架及支撑自重P3=8 kN（每节点均有）。输入《钢桁架计算程序》（TSCAD）得：上弦杆2∠180×14；下弦杆2∠180×14；端腹杆2∠160×12；中腹杆2∠110×10；辅助腹杆2∠90×8。
　　d. 水平支撑选用2∠80×8。
　　e.  垂直支撑选用2∠100×10。
2.3桁架结构体系自重
　　每榀桁架自重88 kN，约8.8 t，共2榀；
　　每根钢梁自重6.72 kN，约0.672 t，共11根；
　　每根纵梁自重6 kN，约0.6 t，共6根；
　　每榀水平支撑1.5 kN，约0.15 t，共10榀；
　　每榀横向垂直支撑4.0 kN，约0.4 t，共3榀。
　　由此可知结构总重为 31.3 t。? 

3网架结构设计
3．1 形式确定
　　本工程输煤栈桥横向宽度为7 m，总长度118 m，跨度一般为27 m，最大跨度为30 m，属于中型网架。设计中由于工艺荷载较大，杆件内力较大，国产最大螺栓也无法满足要求，所以采用焊接球方案，此方案对于露天结构的防腐维护十分有利。
　　横向网格尺寸2 400 mm，纵向网格尺寸2 400 mm或3 000 mm，进行了正放四角锥、斜放四角锥、上弦4点支承、下弦4点支承、上弦6点支承、下弦6点支承、有无边桁架等方案的计算、比较，最终确定横向网格尺寸2 400 mm、纵向网格尺寸3 000 mm、高度3 000 mm、上弦4点支承的正放四角锥焊接球网架为最佳方案。从理论上讲，形成边桁架提高了网架的整体刚度，对结构有利。但在计算中发现，由于边桁架中有些杆件空中角度较小，虽然内力分析、杆件选型均能满足，却无法满足杆件焊接构造要求，这点需在今后的设计中进一步改进。
3．2网架结构分析
　　网架高度按L/10～L/15确定(L为纵向跨度)。最初采用网架高2.5 m，构件内力较大，最大杆件用到φ180 mm×14 mm,并且30%的杆件都采用此规格，网架总重为15.6 t，当改用网架高度为3.0 m时，构件内力大幅减小，最大杆件仅为φ146 mm×14 mm，网架总重降为12.5 t，网架挠度也大幅减少。因下部净空不受限制，故高度定为3.0 m。网架外形见图4，现场倾斜16°。

　　网架上弦每隔3 m设水平横梁1道，用于支承栈桥皮带；水平横梁间设置纵梁以支撑走道板及格栅板。网架两端一端固定，一端滑动（高处）。
3.2.1荷载取值(标准值)
　　荷载取值与2.2.1同。
3.2.2构件计算与选用
　　a. 纵梁主要承受格栅板所传的可变荷载、格栅板自重，据计算可选用2］［8，自重为0.16 kN/m。
　　b. 横梁主要承受工艺荷载、纵梁所传荷载及自重荷载，根据计算用2］［16a，自重为0.34 kN/m。
　　c. 根据前面所列荷载，网架上弦节点受力为：可变荷载P1=5 kN（每节点均有）；永久荷载P2=30kN(每节点均有)。
3．3网架结构体系自重
　　将上述参数输入《网架计算程序》（TRUSS）进行计算，可得：
　　网架自重12.5 t；
　　每根钢梁自重2.4 kN，约0.24 t，共11根；
　　每根纵梁自重4.8 kN，约0.48 t，共6根；
　　由此可知，网架结构自重 18.02 t。? 

4桥体结构经济比较
　　将30 m跨（钢格板桥面）输煤栈桥采用钢桁架和网架方案的经济性进行对比，详见表1。

　　通过比较可知：输煤栈桥采用网架结构无论技术上还是经济上都是合理的。? 

5栈桥楼面结构选型
　　以往栈桥楼面大都采用1.2 mm厚压型钢板作底模的钢筋混凝土楼面，这种楼面自重大，耗钢量较大。电厂中的很大一部分栈桥很高，最高一段达到42 m。现场混凝土施工时需采用特殊工艺和设备加压、加高，施工周期长且工艺复杂，需要大量人力、物力、财力。而且由于栈桥长、汇水面积大，栈桥根部与转运站接口处排水困难。根据河北省预算定额进行综合分析、计算，钢筋混凝土桥面合465元/m2 (包括压型钢板底模)。
    近几年，在运煤码头、钢厂等栈桥设计中，楼面结构采用格栅板。这种楼面形式自重小，仅为混凝土楼板的1/5，下部桥体的耗钢量也随之降低。且现场安装简单，不需要大型设备，施工现场整齐有序，时间短，比混凝土桥面节约一半的施工时间。目前格栅板桥面的市场价格合350元/m2。
　　因此本工程输煤栈桥采用格栅板桥面为宜。? 

6运行中的问题讨论
　　网架结构一般用于静力结构，用于类似输煤栈桥这样的直接承受皮带震动荷重的结构还没有实际经验。皮带运行时是否会和网架结构本身发生共振是设计人员和业主关心的问题。
　　皮带运行速率为1.6 m/s,振源托滚速度为276 r/min（4.6 r/s）。也就是说，皮带在正常同步运行的工况下，振动力在不考虑支架的情况下频率为4.7 r/s?,振动周期为0.21 s。通过计算，网架结构的自振周期为11.32 s。这两者的自振周期相差很大，不会发生共振。
　　网架结构较以往桁架结构在运行维护中有许多优势。采用焊接网架，整个桥体没有死角，防腐优于桁架结构；采用钢格栅板桥面，自由散水，避免了以往栈桥根部排水困难的问题。这些均大大降低了运行维护的费用。? 

7结束语
    通过以上分析及经济技术比较可知，输煤栈桥采用网架结构是技术先进、经济合理的。因此在电厂工程中，输煤栈桥推荐采用网架结构桥体、钢格栅板桥面。