空间桁架设计方法
空间桁架设计方法
摘要:本文将空间桁架设计方法引入到钢结构胶带机通廊的结
构设计工作中,较为真实的反映了钢结构通廊的空间工作状态,为
今后进行钢结构胶带机通廊的结构设计起到了一定的指导作用。
关键词:胶带机通廊;钢结构;空间桁架;结构设计
abstract: in this paper, the space truss design method is
introduced to the steel structure conveyor gallery structure
design work, it is a true reflection of the steel structure
gallery space working condition, for future steel conveyor
gallery structure design can play a guiding role.
key words: conveyor gallery; steel structure; space truss;
structure design
中图分类号:tu323.4 文献标识码:a 文章编号
1.引言
胶带机由于具有运送散粒物料输送量大、可实现连续供料等优点,
现在已经逐渐成为冶金行业运送各种散粒物料的主要设施。随着冶
金企业规模的扩大,冶金厂区建(构)筑物日益密集,加之生产工
艺日趋复杂,胶带机通廊正向着大跨、超高、重载的方向发展。而
钢结构则以其轻质高强、跨度大(跨度60m左右的胶带机通廊在冶
金行业的上料系统已经很常见【文献1】)、施工周期短等优点逐渐
成为胶带机通廊设计的首选结构形式。
钢结构胶带机通廊主体部分由两侧承重主桁架、主桁架上弦支撑
(垂直支撑和斜向支撑)、主桁架下弦支撑(垂直支撑和斜向支撑)
组成,主桁架上弦支撑、主桁架下弦支撑通过节点板或螺栓将两侧
承重主桁架连接成整体的空间桁架结构。以笔者所在单位为例,钢
结构胶带机通廊主体部分在结构设计阶段,空间桁架整体结构分析
时将空间桁架简化为平面桁架进行内力分析:两侧承重主桁架采用
pkpm系列结构分析软件中sts钢结构桁架进行建模分析;主桁架上
弦支撑、主桁架下弦支撑中的垂直支撑由于分别承担屋面檩条和胶
带机支腿荷载(图1),依据【文献2】按压弯构件进行复核;主桁
架上弦支撑、主桁架下弦支撑中的斜向支撑依据【文献2】按拉、
压杆进行复核,综合考虑构造要求进行设计。从已有的理论分析【文
献3】和工程应用【文献4】来看:上述空间桁架的简化设计方法
在一定程度上简化结构设计过程,从工程应用角度来讲是可行的、
偏于安全的。但是,上述简化设计方法人为的将协同工作的两侧承
重主桁架划分为孤立的两个平面桁架,且不能反映主桁架上弦支
撑、主桁架下弦支撑的空间工作状态。因此,有必要将空间桁架设
计方法引入到钢结构胶带机通廊的设计中,较为真实的反映钢结构
通廊的空间工作状态。
图1钢结构胶带机通廊断面
2.空间桁架计算分析基本假定
承重主桁架、主桁架上弦支撑、主桁架下弦支撑的杆件均位于各
自所在的平面内;各杆件重心线汇交于节点中心,且各节点均为理
想铰,不考虑次应力的影响【文献5】。
承重主桁架、主桁架上弦支撑、主桁架下弦支撑的荷载均转化为
集中荷载施加在节点上【文献5】。屋面横、活荷载转化为集中力施
加在承重主桁架上弦节点;墙面恒载、墙面风载转化为集中力施加
在承重主桁架上、下弦节点;楼面横、活荷载(不考虑电气管线、
动力采暖设施荷载)转化为集中力施加在承重主桁架下弦节点。
3.胶带机通廊荷载传递途径与荷载计算
1)荷载传递途径
屋面荷载(雪荷载、积灰荷载、屋面活荷载、屋面恒荷载)由彩
钢夹芯屋面板传至屋面檩条,经屋面檩条传至主桁架上弦垂直支
撑,再由主桁架上弦垂直支撑传至两侧承重主桁架上弦节点。
墙面恒载由彩钢夹芯墙面板传至墙面檩条,经墙面檩条传至两侧
承重主桁架竖腹杆。
楼面恒荷载(胶带机设备及物料、胶带机支腿下部通长型钢、走
道板、底板保温材料等)、楼面活荷载由走道板或通长型钢传递至
主桁架下弦垂直支撑,再由主桁架下弦垂直支撑传至两侧承重主桁
架下弦节点。
水平风荷载由彩钢夹芯墙面板传至墙面檩条,经墙面檩条传至两
侧承重主桁架竖腹杆。
上述竖向荷载、水平荷载通过钢桁架两端的支腿传递至通廊支架,
最终经支架传至基础和地基。
2)荷载计算
屋面恒载(屋面板、屋面檩条、檩托等)取0.35kn/m2。依据【文
献6】,屋面活载(不上人屋面)取0.50 kn/m2,屋面积灰荷载取
0.30 kn/m2,屋面雪荷载取0.35kn/m2。参照【文献6】条文5.4.3,
屋面活荷载组合后取0.80 kn/m2。
楼面恒载(胶带机设备及物料、胶带机支腿下部通长型钢、走道
板、底板保温材料等)沿通廊长度方向取6.35 kn/m。以笔者参与
设计的某输煤胶带机通廊为例,工艺专业提供的技术资料显示胶带
机支腿最大间距3.00m,支腿集中荷载4.00kn/点(动力系数1.20、
超载系数1.40)。对于胶带机而言,其主要驱动装置和震动源为头
部电机及滚筒。因此,在设计胶带机头部所在的建筑物—转运站时,
应完全考虑动力系数,支腿集中荷载计算时应乘以动力系数、超载
系数的较大值;而在设计胶带机中间部分—通廊时,应完全考虑超
载系数,支腿集中荷载计算时宜乘以超载系数,可不考虑动力系数。
胶带机设备及物料荷载计算方法如上所述,本部分荷载按恒载考
虑,均分施加于承重主桁架下弦节点。依据【文献6】,楼面活载取
2.00 kn/m2,两侧安全走道及胶带机下部均按2.00 kn/m2考虑,
这在一定程度上也可弥补基本假定中未考虑的动力、电气设施荷
载。
水平风荷载基本风压参照【文献6】取0.60 kn/m2,考虑风振系
数、风荷载体形系数、风压高度变化系数后通廊沿其长度方向所受
风荷载为3.26 kn/m。
4.空间桁架建模分析
通廊空间桁架结构整体建模采用“pkpm系列-spas cad(2010版)”,
有限元分析与计算采用 “pkpm系列-pmsap(2010版)”。
如图2所示,通廊承重主桁架上弦、下弦、斜腹杆均采用等边角
钢组合的“t”型截面,竖腹杆采用等边角钢组合的“十”型截面。
主桁架上弦垂直支撑采用hw100x100型钢,斜向支撑采用l80x8单
角钢;主桁架下弦垂直支撑采用hm194x150型钢,斜向支撑采用
l80x8单角钢。上述各截面杆件均采用“柱布置”进行杆件布置。
图2 通廊空间桁架spas cad模型、承重主桁架、主桁架上(下)
弦支撑
采用上文基本假定及荷载计算的方法进行空间桁架模型的荷载布
置。其中,风荷载采用单侧风荷载进行布置。
钢桁架中,一般都是轴心受力杆件,因此所有构件通常应当做两
端铰接的柱输入【文献7】。spas cad建模过程中通过约束布置来
实现柱模型的“两端铰接”。 以笔者所在单位的设计习惯为例,通
廊一端采用铰接支座,另一端采用滚动支座,通过一端释放转角、
另一端释放水平位移来实现通廊沿其长度方向上的变形。上述铰
接、滑动支座在spas cad建模过程中通过约束节点来进行模拟。
图3为在几乎相同边界条件、荷载水平下采用sts平面桁架计算
的杆件内力与空间桁架计算的杆件内力的比较,从图中可以看出空
间桁架计算方法得出的杆件内力略低于平面桁架计算方法得出的
杆件内力(差异在15%以内)。一方面验证了空间桁架的简化设计方
法在工程应用上是可行的、偏于安全的,另一方面也在一定程度上
说明了主桁架上弦支撑、主桁架下弦支撑能够很好地协同承重主桁
架承受水平及竖向荷载。
图3空间桁架与平面桁架内力对比之一
将主桁架上、下弦斜向支撑内力沿主桁架上、下弦方向分解后叠
加到主桁架上、下弦,叠加后主桁架上、下弦杆件内力与sts平面
桁架计算的杆件内力比较见图4。由图4可以看出主桁架上弦支撑、
主桁架下弦支撑很好地协同承重主桁架承受水平及竖向荷载。从计
算结果来看,主桁架上、下弦支撑应力水平在0.29以下,均小于
0.50。依据【文献2】主桁架上、下弦支撑杆件不区分受拉、受压
长细比均按200取(风荷载、地震作用下拉杆、压杆交替产生)。
另外主桁架上、下弦支撑杆件选取时应格外注意平面外长细比的复
核。
图4空间桁架与平面桁架内力对比之二
图5为在几乎相同边界条件、荷载水平下采用sts平面桁架计算
的桁架整体变形与空间桁架计算的整体变形比较,从图中可以看出
空间桁架的整体变形为平面桁架整体变形的90%。两侧承重主桁架
在主桁架上、下弦支撑的联系下,空间桁架刚度提高,竖向荷载作
用下的整体变形变小。由此可见,空间桁架分析方法较为真实的反
映了钢结构通廊的空间变形性能。
图5空间桁架与平面桁架整体变形对比
5.小结与展望
1)空间桁架的简化设计方法在工程应用上是可行的、偏于安全的。
2)空间桁架主桁架上弦支撑、主桁架下弦支撑能够很好地协同承
重主桁架承受水平及竖向荷载。
3)空间桁架主桁架上、下弦支撑杆件选取时应格外注意平面外长
细比的复核,平面内、平面外稳定性验算长细比可均按200取值。
4)空间桁架两侧承重主桁架在主桁架上、下弦支撑的联系下,空
间桁架刚度提高,竖向荷载作用下的整体变形变小,空间桁架分析
方法较为真实的反映了钢结构通廊的空间变形性能。
5)本文空间桁架设计方法应用于钢结构胶带机通廊设计是一种尝
试,承重主桁架斜腹杆布置方式有待进一步优化,合适的节间距选
择也有待于进一步探讨,一些构造措施还有待于进一步完善,用钢
量还有待于进一步优化。
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中国建筑科学研究院pkpm cad工程部.sts钢结构cad软件用户手
册(2010版)