论大倾角皮带输煤栈桥设计

刘金玉

【摘 要】针对大倾角皮带栈桥设计中所需要注意的几个问题进行分析，包括基础设计最不利工况，荷载组合，柱水平刚度设计等，以保证结构在体系以及经济上更为合理。本文案例采用PKPM2010V3.1计算，并根据规范复核。

【关键词】大倾角皮带;输煤栈桥;PKPM2010V3.1

一、结构荷载.工况及组合说明

从皮带机的运行机理来说，设备产生的水平荷载与垂直荷载是一组同时存在的荷载，不存在单独的水平荷载或者单独的垂直荷载这种工况。从计算结果显示，如果其作为活载输入，其基础计算的最不利组合工况为设备垂直荷载参与组合，而其水平荷载不参与组合。此时，轴力最小，弯矩最大。然而在实际运行中该组合不存在，也不合理。设计偏保守，过于浪费。因此在做基础计算时，将设备运行荷载作为恒载输入，以保证结构的安全性。在上部结构计算中可取按恒载及活载计算包络值设计。

二、结构方案基本做法

A）栈桥结构可采用混凝土柱+钢桁架栈桥设计，也可采用全钢结构的形式。通常将楼面采用压型钢板+混凝土楼板的形式，楼板与钢梁之间采用栓钉连接。屋面及墙面均采用压型钢板封闭。

B）大倾角皮带栈桥由于角度大，距离短，能够利用最短的距离将煤输送到最大的高度。该设计时纵向柱列较少，导致栈桥柱高差很大。最低处的柱由于水平刚度大于其他柱而分担较多的水平力，此处基础大于其他柱基础，需特别注意。

C）结构计算中出现较大的剪力，设计钢桁架时对柱脚节点需特别注意抗剪键的设置。需对抗剪键截面及连接焊缝进行复核。

三、工程案例

工程以玖龙纸业（沈阳）有限公司3x380t/h热电联产项目一期工程2#栈桥为案例演示计算。

3.1工程概况

根据工藝布置及业主要求，此栈桥为宽8.5m，投影长16.80m，高差21米，角度为50度的封闭钢栈桥;栈桥楼面采用压型钢板与现浇混凝土组合楼面，屋面及围护结构为轻钢结构;栈桥支柱为钢筋混凝土柱。

根据设备资料数据，结合《建筑结构荷载规范》，基本计算参数及荷载取值如下：

基本风荷载标准值：0.55kN/m2

基本雪压：0.50kN/m2

恒载：楼面为4.0kN/m2;屋面为0.3kN/m2;侧壁围护为0.3kN/m2

活荷：楼面为4.0kN/m2;屋面为0.5kN/m2

场地类别为Ⅲ类，抗震设防烈度为6度，设计地震加速度值0.05g，设计地震分组为第一组，建筑抗震设防分类为丙类。

设备运行参数如下：

额定输送量  600t/h  带宽  1400mm   带速  1.25m/s

3.2计算模型假定

钢桁架腹杆与上下弦杆间采用铰接，竖杆与混凝土柱之间采用铰接连接。采用PK模型进行平面计算。

3.3结构基础分析

A）柱截面：KZ-1，KZ-2，KZ-3均采用600X800截面，根据PKPM平面分析，在考虑设备荷载及左风荷载叠加的情况下最不利（考虑本地区地震设防基本烈度为6度，地震作用非控制性荷载，在本文中不考虑地震组合。而且由于活载引起的剪力及弯矩较小，为简化计算，本文不做考虑），其计算结果如下：

本项目采用预应力混凝土管桩，单桩承载力达到1400KN，在荷载效应标准组合下不存在平均竖向力及桩最大竖向力不满足桩承载力要求的工况，因此主要对桩最小竖向力计算，以桩避免出现上拔力的工况。为简化计算过程，本文将所有桩承台按照四桩承台计算，并且不考虑平均竖向力及最大竖向力的工况并且仅计算纵向框架。承台考虑为四桩承台，桩间距为1400mm，承台尺寸为2400X2400. 计算过程如下：

（1）根据建筑结构荷载规范计算组合

KZ-1  轴力  639KN  弯矩   352.5

KZ-2  轴力  611KN   弯矩  239.2

KZ-3  轴力  -68.3KN  弯矩  147.5

根据建筑桩基技术规范，5.1.1条计算，计算过程如下：

KZ-1Nmin=91.5KN  （满足要求）

KZ-2Nmin=125KN  （满足要求）

KZ-3Nmin=-12.2KN  （不满足要求）

KZ-3的基础在设计中出现拔力，现将KZ-3桩间距改为2000计算，承台尺寸修改为2900X2900，仍采用四桩承台

KZ-3Nmin=（FK+GK）/n+Mxky/∑yi2

=30.1KN  （满足要求）

KZ-3基础若需要在不考虑加大桩间距的前提下满足不出现拔力的要求（本文中按照不考虑抗拔桩设计），可采取加大承台截面以及承台上方配重的措施来抵抗拔力。

采用该方案时，计算如下：KZ-3Nmin=26.5KN （满足要求）

B）对结构进行优化，从结构的剪力分配来考虑，由于KZ-3高度小，其分担的水平力大于KZ-1，KZ-2。KZ-3由于轴力小，弯矩及剪力偏大，桩易产生拔力。现对整体结构的布置进行调整，即通过增加KZ-1，KZ-2截面来增加KZ-1，KZ-2的水平刚度。现将KZ-1，KZ-2的截面修改为600X1200，计算结果如下：

（1）根据建筑结构荷载规范计算组合

KZ-1  轴力  750KN   弯矩  538.6

KZ-2  轴力  657KN   弯矩  402.3

KZ-3  轴力  -29.8KN  弯矩  109.3

（2）根据建筑桩基技术规范，5.1.1条计算，计算过程如下：

KZ-1Nmin=52.74KN  （满足要求）

KZ-2Nmin=78.2KN   （满足要求）

KZ-3Nmin=11.1KN   （满足要求）

综上所述，针对大倾角输煤皮带栈桥由于水平荷载大于常规栈桥，导致其桩基础出现拔力的情况给出以下三种解决方案：

a）可以适当加大高度较大的柱截面（KZ-1，KZ-2），增加该柱的水平刚度，以避免剪力集中在高度较小的柱（KZ-3）。该方法有一定的适用性，但是在经济上不是特别的明显。

b）增加桩间距。该办法经济性能比较好。对基础受力性能的改善很明显，可以在各种出现拔力的基础中使用。

c）增加基础的压重，及在基礎顶面采用素混凝土回填。该方案适用于施工后由于各种原因需更改基础的情况，或者扩建中不满足抗拔要求的情况。

d）可以采用基础梁承担部分弯矩，减小由于拉力及弯矩引起的桩拔力，但是受到场地限值，本项目KZ-3无法设置基础拉梁，本文未做详细阐述。

四、结束语

1.本文针对大倾角输煤栈桥荷载作用机理进行了一定的阐述，将设计时采用的荷载组合进行了细化。针对大倾角输煤栈桥计算时采用详细的荷载计算可以保证设计的经济性能，避免过多的浪费。

2.对于大倾角输煤皮带栈桥基础设计时，若采用桩基础，需要特别注意抗拔的问题。针对如何解决抗拔的问题，本文给出了方案。

3.在截面相差不大的情况下，应采取措施保证各柱水平刚度接近，减少水平力分配不均引起的结构不利。

【参考文献】

[1]马琴. 试论大跨度钢桁架带式输送机的栈桥设计[J]. 科技创新与应用， 2017（28）：102-104.

[2]孙建斌. 谈输煤栈桥设计[J]. 山西建筑， 2015（12）：35-36.