钢结构栈桥结构体系优化实例

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  引言
  钢栈桥在工业生产中占有极其重要的地位,用途十分广泛。有的用于焦化厂运煤、运焦,有的用于烧结厂运精矿粉、烧结矿等,是重工业厂家的运输动脉。
  1常用两种钢栈桥特点
  1.1型钢桁架体系
  型钢桁架体系在国内应用十分广泛,其造型美观大方,施工简单方便,安全可靠;其计算模型比较简单,理论浅显易懂。但是型钢栈桥属于平面受力体系,钢材利用率低,耗钢量大,连接复杂。而且一般型钢截面是单轴对称,因此,计算时需要人工干预,复核杆件平面外强度和稳定;同时,型钢桁架节点的设计较为繁琐,节点构造复杂,难于刷漆或清除灰尘的死角,不利于维护;另外,出于方便设计和施工等原因,设计时,通常弦杆不是按照杆件实际内力设计,而往往在同一运输单元内采用相同的截面,这样也造成了较大的浪费。
  1.2网架体系
  网架栈桥体系受力构件采用钢管或钢管与其它型钢的组合,节点采用焊接空心球节点或螺栓球节点。相对型钢栈桥,网架栈桥属于空间受力体系,传力途径好。网架栈桥的主要构件采用钢管,减轻了自重,降低了经济指标,具有良好的经济效益。同时其刚度大,工期短,抗震性能好。网架的上、下弦间还可为各种管道穿行提供空间。另外,随着设计技术的提高和新型防腐、防水涂料的出现,更为网架栈桥在一些高湿、高温条件下的使用创造了条件。采用网架栈桥,其节点和杆件可在专业厂家加工制作,制作质量可得到保证,建设工期加快。
  虽然网架栈桥体系优点突出,但当结构的跨度大到一定程度时,可能导致其结构刚度降低,产生整体屈曲或共振现象。
  2栈桥的优化实例
  2.1工程实例(结合某市一在建栈桥)
  该工程安全等级为二级,结构重要性分类为丙类建筑,抗震设防烈度为7度。该栈桥长30m,宽4.1m,高3.2m。荷载标准值为:
  (1)上弦荷载0.925KN/m2(上弦杆及上弦支撑总重0.5KN/m2、檩条自重0.075KN/m2、屋面板自重0.35KN/m2)。
  (2)下弦荷载3.48KN/m2
  (3)上弦活荷载:0.5KN/m2(非上人屋面),下弦活荷载:3.75KN/m2
  (4)风荷载标准值
  (4-1)
  其中:w0=0.5KN/m2;B类场地;取1.0;下弦,,上弦,;迎风面,背风面。
  2.2型钢栈桥体系的设计分析
  该体系采用平面铰接体系,两端铰接。桁架上下弦的截面型式为组合槽钢截面,端部腹杆采用H型钢,与上下弦支撑组成端门架,加强了桁架的整体稳定性;其余腹杆及斜腹杆采用等边双角钢体系,上下弦支撑采用单角钢与H型钢的组合型式,以增强结构的侧向刚度。
  经过计算[1],这种布置截面应力最大应力比0.85,符合设计最低要求。该体系的耗钢量为22729.6Kg。
  2.3网架栈桥体系的优化设计
  本文的优化目标为结构的耗钢量指标。优化思想:对主要结构构件,其截面应力不应过大,原则上其应力比不应超过0.85,并在设计当中尽可能调整主要构件截面,使其应力比接近0.85。而对于次要构件(例如支撑等),采用满应力设计法,在满足结构安全的基础上达到降低耗钢量的要求。
  本文在型钢体系的基础上,利用网架体系取代型钢体系,采用空间受力计算方法,对该栈桥进行了优化设计。优化设计采用空间铰接体系模型,为了保证结构的几何不变性,网架端部采用H型钢形成封闭刚架,加强了结构的整体稳定性。网架侧面的几何尺寸与桁架相同,
  经计算,体系优化后耗钢量降为20911.2Kg,节约了大约8%的钢材。
  3兩种体系对比分析结论
  以上两种模型的基本假定都是以节点铰接为前提,从两种体系的受力可以看出,网架模型更接近于计算假定,受力更为合理。同时网架属于超静定结构,结构的安全储备大。钢管截面为双轴对称,平面内、外为等稳定设计,而桁架体系常用的角钢截面是单轴对称,计算时需要人工干预,复核杆件平面外强度和稳定。从经济角度看,当栈桥的跨度较大时(≥30m时),网架结构的经济指标更为合理,可节省耗钢量约10%左右。
  
  参考文献:
  [1]钢结构设计规范GB50017
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