输煤栈桥轻钢结构若干问题的分析

输煤栈桥轻钢结构若干问题的分析

作者：聂会民

来源：《中国建筑金属结构·下半月》2013年第03期

摘要：随着生活水平的提高和技术的发展，供热面积不断扩容和城市配套建设的不断完善，热源厂也要跟上供热的发展，受地理环境和天气等因素的影响，更加安全和更加经济的建设热源厂逐渐被提上日程。输煤栈桥是热源厂主要建筑构成，目前钢桁架结构已取代了以前的混凝土结构桁架，如何提高栈桥钢桁架经济技术成为优化输煤栈桥结构的关键所在。

关键词：输煤栈桥；轻钢结构；供热系统

中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：1671-3362（2013）03-0017-02

1 供热系统输煤栈桥的基本结构

长期以来，供热系统的输煤栈桥设计没有专门的设计结构规范，而影响栈桥设计的因素很多，因此，实践中栈桥的结构设计在布局搭建和选材上标准多重。

一般情况下，输煤栈桥主要由基础结构、支架结构、桥身结构、楼板和围护结构等（屋面、侧墙、窗等）组成。其中，基础结构、楼板和围护结构的设计属于基础工程，技术难点往往集中在支架结构和桥身结构上。如栈桥同一单元区段的支承结构为了防震，应使用同种材料。如果使用了不同种类的材料，支承结构间就必须设置防震缝隙。而防震缝隙的设置也需要符合特定的技术标准。

支架结构主要分为钢筋混凝土结构、砖（石）柱结构和钢结构三种，用于承受来自桥身的横向和纵向荷载。支架是否稳定，直接决定了栈桥结构下部的宽度。当栈桥支架较高，跨度较大时，一般选用钢支架。桥身结构主要有钢筋混凝土结构和钢结构。其中，钢筋混凝土结构有桁架、墙梁、薄腹梁等，造价低，前几年使用较广泛。但是适用栈桥跨度小，灵活性差。钢结构有网架结构和钢桁架，其中钢桁架材料强度高、自重轻，适用于大跨度栈桥结构，而且制作简单、安装方便。近来，热电厂越来越多的在输煤栈桥中采用钢桁架结构。综合来看，现阶段，输煤栈桥支架和桥身结构一般都选用钢结构，其中桥身一般采用钢桁架结构。钢桁架结构中的技术要求较多，如围护结构的侧墙如果使用钢桁架结构，则应在桥面、屋面桁架节点位置架设横梁及水平支撑，与侧墙的钢桁架结构形成空间结构，以横向稳定输煤栈桥。同时，应根据栈桥全长设置上下弦水平支撑，以纵向稳定输煤栈桥。

2 钢桁架结构的比较分析

上世纪80年代，输煤栈桥的钢桁架一般都是采用角钢桁架结构。但是，角桁架采用的是单轴对称的双角钢截面，截面特性不能充分被发挥；而且角桁架存在阴角，防腐费用高昂；同时在施工上，角桁架现场焊接工作量大，漏焊现象频发。

后来出现了空心球钢管桁架结构。相比角桁架，空心球钢管桁架用钢量少，成本较低；施工上，节点形式简单，安装便利，便于维护。由于以上特点，空心球钢管桁架结构被很多单位广泛应用与煤炭栈桥结构中。

近年来，单榀桁架结构也备广泛使用。单榀桁架设计中，上部支座通常采用沿桁架纵向滑动铰支座，滑动铰支座材料一般为滚轴或橡胶垫，以达到有效释放温度及其他位移。但是，在风荷载较大的情况下，单榀桁架存在不利因素，整体结构变形较大。

同时，在技术上，传统的输煤栈桥运用的都是运用分段式的钢桁架结构，这种结构计算模型和受力分析简单、制作和安装方便。但是，分段式的钢桁架用钢量大，经济成本较高。于是，近几年来，研究机构和生产机构都加大了对技术过关、经济成本较低的连续钢桁架结构的研究。分段式钢桁架结构受力上相当于简支梁，采用两端简支的支座型式；连续式钢桁架在受力上相当于连续梁，采用一端滑动、中间支座、一端铰接的支座型式。采用连续式的钢桁架比分段式的钢桁架更能发挥材料的力学性能，结构杆件的受力更合理，选材也会更加经济。可见，连续性钢桁架具有整体性能好，空间刚度大，用钢量少、抗震性能强等优点。但是，连续性钢桁架在同一温度内不分段，需分段制作、在空中拼接，施工难度大，需要临时支撑。随着钢材价格逐步走高的趋势，连续式钢桁架结构的应用范围会逐步扩大。

3 轻钢结构的应用分析

3.1 基本含义

实践中，轻钢并不是结构较轻的字面意思，其与重钢的区分在于所承受的围护材料较轻，两者的结构设计一致，实务中一般根据行车起吊重量、每平米用钢量和主构件钢板厚度综合判断。

理论上，钢结构一般分为：重型构件（由热轧型钢或厚钢板制成）和轻型构件（由冷弯型钢或薄钢板制成）。其中，重型构件也叫普通钢；轻型构件也被成为轻钢结构。

3.2 基本性能

轻钢主要具有强度高、自重轻、整体变形能力强、可回收利用等特点，具有较强的抗震性、抗风性、耐久性、保温性和可持续发展性，在国内外应用发展十分迅速，目前己成为发达国家主要的建筑结构形式。具体来说，主要具有以下优势：

（1）强度高。轻钢的强度较高，容重和屈服点比重小。

（2）自重轻。轻钢主体结构的含钢量通常在25kg到80kg，基础造价低。

（3）变形强。轻钢设计理论先进，利用了屈曲后强度、塑性设计、优化设计等技术，其韧性和弹性较大，使用了具有抗剪抗扭效果的插条涉及，整体结构的稳定性被大大加强。

（4）环保节能。轻钢安装方便，运输和搬迁也方便，材料可以回收利用，符合生态环境建设的大趋势。

3.3 应用分析

3.1.1 应用理论分析

近年来，国内外对轻型钢结构的研究，在理论和实践上都取得了长足的进步。进度快，涉及范围广，在钢结构发展历史上都属于罕见。随着轻钢结构中的围护结构的配套产品相继研发成功，轻钢结构的应用在我国也迅速发展起来。

现在各科研单位和生产单位都先后加大对轻钢结构的研究，主要情况有：

（1）结构。多层轻钢结构一般采用框架结构，包括空间框架结构和平面框架结构。有时候，平面框架结构为了加强支撑和联系，也会采用悬挂结构形式。主体结构设计上，主要通过空间有限元建模，作线性分析，综合考虑在各种荷载作用下结构的强度、整体和局部稳定性等因素；如果结构侧向刚度小或布置不规则，则需利用二阶分析，确保安全。

（2）维护。轻钢的维护一般使用轻质材料，如加气混凝土砌块，彩色钢板、空心砌块、压型钢、轻质保温材料等组成的复合墙板（平面、表面为浅压型和表面为深压型）。轻钢的轻型网架或轻型桁架上一般使用保温彩色钢板或有机玻璃。维护结构应具有如下优点：强度高、耐久性好、防火性好、隔热性好、隔音性好、防结露和防潮湿性好。

3.1.2 轻钢在输煤栈桥钢桁架结构中的应用

输煤栈桥的钢桁架一般是由上弦杆、下弦杆、端竖杆、端斜杆、竖腹杆、斜腹杆等主要受力杆件组成。在理想状态下，钢桁架各杆件均是受力轴心杆件。因此，杆件之间的连接方式即链接节点变的尤为重要，它传递构件间的剪力和弯矩，直接影响框架的承载力极限，构造形式还直接影响用钢的数量。传统上，输煤栈桥钢桁架根据强度和稳定来选择杆件。考虑到杆件的制作成本大小、安装便利与否以及防腐是否渐变。钢桁架的上弦杆、下弦杆一般采用重型钢，之间一般使用高强螺栓或焊接连接；端竖杆也适用重型钢，以便可以和上弦杆以及下弦杆连接方便；竖腹杆、斜腹杆一般使用双角钢，并在节点处，采用节点板实现和上弦杆、下弦杆的连接。可见节点连接在输煤栈桥钢桁架结构中尤其重要。

轻钢结构在节点上，即使连接节点的组成要素参数不同，但初始刚度计算结果基本在同一个数量级区域。可见，轻钢结构的连接节点属于半刚性连接节点，具有较大的转动刚度和极限承载力。在设计节点时，如要实现可靠传力，合理构造和较强的抗震性能，同时也需要方便施工，半刚性连接节点是很好的选择。同时，轻钢结构的连接节点初始刚度值与节点处的钢翼缘和柱翼缘的厚度、及连接处竖向螺栓间距、梁截面的高度关系大，与节点处其他组成部分关系小。翼缘厚度增加，节点的转动刚度、承载力都随着提高。因此，在设计节点时，翼缘较薄的节点，在满足高强螺栓连接规程的前提下，可以减小竖向螺栓间距来增加节点的极限承载力及