霍旭东 李健荣 刘健康
(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)
1 概述
输煤栈桥是连接矿井与选煤厂两个生产环节的重要构筑物，主要起到连接、传送原材料的作用一旦在运行过程中发生破坏，将给煤矿的生产及生活带来极大影响[1,2]。输煤栈桥根据材料不同主要分为：钢筋混凝土结构、钢结构及砌体结构[3]。而钢桁架因其受力明确、自重轻、造型美观、跨度大、抗震性能好等优点，在煤炭行业中得到了广泛的应用。设计中，钢结构栈桥通常采用PKPM软件中的STS模块对单片桁架进行计算，内力分析时，荷载集中在节点上，并假定所有杆件位于同一平面内，杆件重心线交汇于节点处，桁架节点为铰接，所有受力构件均为二力杆件，而对钢桁架的整体受力分析较少，缺乏在垂直桁架方向风荷载作用下的受力分析。故笔者通过MIDAS有限元计算软件对利民矿井主斜井驱动机房至原煤仓栈桥进行了有限元受力分析，对比了两种计算模型的结果，总结了钢桁架设计中的要点。
2 工程概况
内蒙古利民矿井主斜井驱动机房至原煤仓栈桥是矿井产能升级新建工程，地面上既有建筑布置复杂，地下管沟纵横，给栈桥的布置带来很多不便，只能利用大跨度桁架跨过既有建筑物及管沟。单榀跨度43.5 m，斜长45 m，倾斜角度15°，桥面宽度4.3 m，底板用100 mm 厚非组合现浇楼板，墙面及屋面用100厚压型钢板保温板。本工程抗震设防烈度为7度，地震分组为第三组；基本风压为0.55 kN/m2，地面粗糙度为B类；基本雪压为0.20 kN/m2；楼面活荷载为4 kN/m2(强力皮带)，屋面活荷载标准值(不上人)：0.5 kN/m2。
3 钢栈桥结构选型
钢桁架是由两个侧面主桁架通过上下支撑及端部平面刚架连接形成空间受力体系，见图1。两侧主桁架在竖向力作用下既可作为承载结构承受上下水平支撑传递的竖向荷载，也可作为侧向围护结构的骨架[4]。主桁架由连续通长的上下弦杆通过节点板与竖腹杆及斜腹杆连接而成。两榀主桁架间弦杆与腹杆连接节点处设置水平横杆及交叉支撑，形成水平桁架传递水平荷载[5]。最后通过栈桥端门架将水平荷载传递至支座处，从而为栈桥的平面外提供了一定的刚度，保证栈桥的整体稳定性。
3.1 主桁架选型
考虑到栈桥所用钢材的经济性及栈桥在竖向荷载下的变形，桁架的高度一般取其跨度的1/12～1/8[6]，当桁架的跨度大于36 m时，为了减小桁架内力，下弦的下部设置内部超静定拉杆，综合考虑多种因素取桁架的高度为3 300 mm。
本工程设计中根据桁架腹杆的布置可分为图2，图3两种形式，分别为人字形式腹杆布置和单斜式腹杆布置。“人”字形腹杆布置桁架在竖向荷载作用下，大部分竖腹杆和斜腹杆均是受压杆件；而单斜式腹杆在竖向荷载作用下，斜腹杆大部分受拉，竖腹杆受压。经综合对比后确定用N字形的方式布置桁架。
3.2 桁架水平支撑体系
桁架水平支撑布置在桁架的上、下弦平面内，用来承受侧向水平风荷载、横向地震作用等，同时为弦杆提供侧向支撑，减小其平面外计算长度，并增加桁架的空间刚度[7]。当楼板采用现浇混凝楼板时，可不设置下弦支撑。水平支撑分为交叉支撑和K型支撑，一般情况下，根据栈桥的宽度及支撑与斜杆间的夹角(35°～55°间受力较好)，如满足此要求，则优先采用X型支撑；否则采用K型支撑来考虑采用哪种形式。
4 平面二维模型与有限元模型比较
4.1 平面二维模型
采用PKPM中STS模块进行计算时，将钢桁架整体拆分为上弦支撑桁架、主受力桁架、下弦支撑桁架及端门架四部分。上下弦支撑桁架计算时，将风荷载等效为节点风荷载来考虑其受力性能。主桁架只考虑在竖向荷载作用下(恒+活)的受力情况：按节点处的负荷面积换算成该节点的集中荷载，忽略桁架节点的次生弯矩；而端门架简化为集中风荷载作用下的门式刚架。图4为单榀桁架结构简图。
4.2 有限元模型
在MIDAS有限元模型中，上下弦杆、门式刚架采用梁单元，钢桁架腹杆和上下弦水平支撑采用桁架单元。建模型时候需注意到以下几点：1)上下弦杆作为一根通长的梁单元，在节点处不可断开，梁两段为铰接连接，即释放梁端平面内外弯矩;2)端门架模拟时，为防止钢桁架侧向脱落，门架柱脚在其平面内采用刚性连接；而在门架平面外柱脚一端采用铰接连接，另一端采用弹性连接，保证桁架在荷载作用下的变形能力；3)考虑横向风荷载的影响。该模型采用5种静力荷载工况：上弦恒荷载、下弦恒荷载、上弦活荷载、下弦活荷载以及风荷载。图5为45 m钢桁架有限元模型。
4.3 计算结果分析
为了研究桁架二维模型和有限元模型分析方法的内力计算结果，选择典型受力杆件作为控制杆件，详细结果见表1～表3。
表1 桁架典型杆件强度应力比(1.2恒载+1.4活载)
模型上弦杆下弦杆下拉弦杆斜腹杆下拉竖杆12345678910111213141516平面0.530.730.730.530.560.430.730.800.720.800.660.570.580.670.620.62空间0.430.670.620.440.200.210.240.530.450.530.500.420.520.420.430.43注:所有构件均采用Q235B
表2 桁架典型杆件节点处变形(1.2恒载+1.4活载) mm
由表1，表2比较可得：
1)桁架上弦杆、腹杆杆件强度应力比STS计算结果比MIDAS计算结果偏大10%左右，下弦杆、下拉弦杆及下拉竖杆STS与MIDAS计算结果相差较大，最大可达50%。这是由于空间模型考虑了两榀桁架的协同作用，导致钢桁架体系的中和轴发生了偏移，引起桁架上弦与下拉横杆之间的杆件内力调整。
2)在“恒+活”荷载作用下，平面模型最大挠度发生在跨中，约为58 mm；同样，空间模型最大挠度也是出现在跨中，约为61 mm，两者均满足GB 50017—2017钢结构设计标准的挠度容许值(跨度的1/400)要求。
由于STS中的计算模型为单片桁架，无法考虑横向风荷载对桁架内力的影响，于是笔者对考虑风荷载的MIDAS空间模型与平面模型进行了比较，具体结果见表3。
表3 桁架典型受力杆件
从表3中可以看出，空间模型在考虑风荷载作用时，杆件的内力增长明显，尤其是上弦跨中的2号杆件，已明显超过采用平面模型得到的计算结果。而下弦杆、腹杆、下拉弦杆及下拉竖杆内力均有增长，但均小于采用平面模型得到的内力。
5 结语
通过对两种模型的受力分析，对钢桁架的设计得出以下结论：
1)在恒载+活载作用下，STS计算的结果是很保守的。这是因为STS中计算模型只考虑平面内的单片桁架，忽略了空间中其他结构对其的有利影响。2)当所处地区基本风压比较大时，平面模型得到的计算偏于不安全，应采用有限元模型进行校核，若截面选择的富余量大于15%，则可不再计算。3)楼板采用现浇混凝楼板时，可不设置下弦支撑。4)所有的水平荷载都是通过端门架传递给支座，故端门架下部受力较大，设计时应采取一定的加强措施。5)加强两榀桁架之间的连接(如桁架上弦横杆与竖腹杆间设置隅撑)，使其能更好的整体受力。
