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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，經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。
参考文献：
唐建设,郑伟昌,胡朝晖.弦杆变形对通廊构件内力的影响.钢结构,2010(11),Vol 25,No 139
中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计规范 GB 50017━2003.北京：中国建筑工业出版社，2003
韩宝峰,吴静.钢管桁架输煤栈桥结构分析.应用技术
張学奇,张震.钢结构输煤栈桥设计计算和构造措施.山西建筑,2009,Vol.35,No 20
《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册（上册）.北京：中国建筑工业出版社，2003
中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范GB 50009-2012.北京：中国建筑工业出版社，2012
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）
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，經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。
参考文献：
唐建设,郑伟昌,胡朝晖.弦杆变形对通廊构件内力的影响.钢结构,2010(11),Vol 25,No 139
中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计规范 GB 50017━2003.北京：中国建筑工业出版社，2003
韩宝峰,吴静.钢管桁架输煤栈桥结构分析.应用技术
張学奇,张震.钢结构输煤栈桥设计计算和构造措施.山西建筑,2009,Vol.35,No 20
《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册（上册）.北京：中国建筑工业出版社，2003
中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范GB 50009-2012.北京：中国建筑工业出版社，2012
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）