第４１卷第２期 Ｖｏｌ＿４１ Ｎｏ．２ ２ ０ １ ５年１月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｊａｎ． ２０１５ ・３７・ 文章编号：１００９－６８２５（２０１５）０２－００３７—０２ 空问钢管桁架皮带廊设计与优化 孙健 （沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁沈阳１１０００１） 摘要：介绍了空间管桁架作为架空皮带的承重体系，受力合理，节省用料的特点，通过计算研究实际工程中空间钢管桁架皮带廊 结构体系，分析了其受力性能，并给出合理优化杆件截面设计建议，同时研究了相同外部条件下，不同跨度钢管桁架的用钢量，比 较出优化跨度，为实际工程应用提供参考。 关键词：空间管桁架，ＰＭＳＨＡＲＰ，桁架跨度，高度 中图分类号：ＴＵ３９１ 文献标识码：Ａ ０ 引言 长距离架空皮带运输系统，在工业设计中经常出现，而且随 着工业现代化发展，皮带运输距离也随之增加，并经常需要跨越 一些高度较大的生产装置，建（构）筑物。所以为了配合工艺需 要，设计了一种空间管桁架皮带廊结构（如图１所示），该结构形 式可以做到较大跨度，较高支架高度，从而减少了支架用量。因 此合理轻便的结构形式，不但能大幅度降低工程投资，还能美化 图１三角形截面空间管桁架 厂区视觉效果，值得设计者多花心思考虑。空间桁架配合空间管 桁架截面尺寸，主要取决于桁架跨度及工艺需求，一般桁架 支架设计，因其空间受力性能合理、结构轻便、安装制作简单、施 高度ｈ取跨度的１／１７—１／１２，其中高度ｈ取１／１５跨度比较经济。 工方便、造型美观等优点广受设计者及业主的青睐。 桁架的宽度主要取决于工艺对皮带廊净宽的要求。另外桁架腹 １ 桁架截面尺寸及构造 杆与弦杆之间夹角宜在３５。一５５。之间。 ３框架梁问题 时要综合考虑，既要避开螺栓，又要保证足够的柱脚加劲板以减 为了减小框架柱计算长度及设置柱间支撑，高层钢烟道支架 小底板的区隔大小，减小底板所受弯矩及底板厚度。 需要在中间设置若干层框架梁，而这些楼层往往没有设备和平台 ５结语 （或很少的楼梯平台），因此一般也不设置水平支撑。而设备荷载 由于目前工业建筑结构设计规范相对滞后，在很多方面甚至 作用在顶层，因此中间各层框架梁往往需要传递较大的水平力 缺失或者不完善，在工业建筑结构中往往会出现规范中没有考虑 （设备水平力及风荷载或地震作用），此时，中间各层框架梁还应 的情况，此时应根据实际情况分析，结合现有规范和研究成果计 按轴心受力杆件检验，对于压杆还应满足相应的构造要求（长细 算分析，以保证结构设计安全。 比、腹板高厚比等）。对于设备层框架梁及次梁，应尽量在梁侧向 参考文献： 设置水平支撑，一方面可以增大整个设备层的刚度；另一方面，可 ［１］ 陆斌．高耸钢结构设计理论研究与工程应用［Ｊ］．上海教 以减小梁的平面外计算长度，特别是作用有较大水平力的梁。 育，２０１１（１１）：２７－２９． ４柱脚问题 ［２］ 丁浩民，沈祖炎．多、高层钢框架结构分析与研究［Ｊ］．建筑 烟道钢支架通常采用铰接柱脚加支撑的结构体系，当烟道支 结构，１９９０（１）：４２—４３． 架较高时，在风荷载和设备及烟道所产生的水平力作用下，会在 ［３］ 陈 骥．结构稳定理论与应用［Ｍ］．北京：科学技术文献出 柱脚产生较大的上拔力，特别是对于有支撑连接的柱脚，在不同 版社，１９９４． 荷载工况下，既会有很大的压力，也会有很大的拔力。因此在进 ［４］ 殷真铭．高耸钢结构构架设计中存在的几个问题［Ｊ］．石油 行柱脚设计时，一方面要特别注意螺栓的抗拔验算，此外也要注 化工设计，２００２，１９（３）：１４—１６． 意柱底板的抗弯验算。上拔力大时，往往需要采用较大直径的地 ［５］ＧＢ ５００１７－－２００３，钢结构设计规范［ｓ］． 脚螺栓，而根据构造要求，需要较大的螺栓垫板，在设计支撑连接 ［６］ ＪＧＪ ９９ ８，高层民用建筑钢结构设计规范［ｓ］． Ｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｈｉｇｈ・－ｒｉｓｅ ｍｕｌｔｉ・—ｓｐａｎ ｆｌｕｅ ｓｔｅｅｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｄｅｓｉｇｎ Ｑｕｅ Ｋｕｎｓｈｅｎｇ （Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ ｆｌｕｅ ｓｔｅｅｌ ｓｕｐｐｏｒｔ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｎｄ ｐｒｅｃａｕｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｌｏａｄ，ｆｒａｍｅ ｃｏｌｕｍｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ，ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｂｅａｍ，ａｎｄ ｃｏｌｕｍｎ ｂａｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ ｌｆｕｅ ｓｔｅｅｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｄｅｓｉｇｎ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ ｆｌｕｅ ｓｔｅｅｌ ｓｕｐｐｏｒｔ，ｗｉｎｄ ｌｏａｄ，ｃｏｌｕｍｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｌｅｎｇｔｈ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｐ＿＿△ｅｆｆｅｃｔ 收稿日期：２０１４—１１—０３ 作者简介：孙健（１９８２－），男，硕士，工程师 第４１卷第２期 ・３８・ ２ ０ １ ５年１月 山 西 建 筑 为了使桁架节点受力较好，保证节点连接焊缝质量，设计时宜 底部宽度为５．Ｏ０ ｍ，支架柱及支撑截面均采用圆钢管。 尽量使弦杆的直径与竖向斜腹杆直径的比接近或大于２，而且弦 ３．３皮带廊系统计算分析 杆与斜杆的壁厚比值ｔｏ／ｔ，也宜尽量大一些，一般在２．０左右，而 计算采用ＰＭＳＨＡＲＰ空间建模分析，考虑空间桁架折减挡风 且随着桁架跨度的加大该比值也宜随之加大。弦杆本身直径与壁 系数下的风荷载及地震荷载。计算结果用钢量见表１。 厚的比值ｄ。／ｔ。一般在２Ｏ一３Ｏ之间。为了提高结构的抗腐蚀能 表１ 空间管桁架材料量统计表 力，杆件的壁厚不宜小于４ ｍｍ。 管桁架 单榀用钢 固定支架 滑动支架 总用钢 总长 单位用钢 跨度／ｎｌ 量／ｔ 榀数 用钢量／ｔ 个数 用钢量／ｔ 个数 量／ｔ 度／ｉｎ 量／ｔ・ｍ一 ０．７３９ ０．７４９ ０ ７７２ ４０ ５０ ６０ １ｌ １９ ２７ ７ ６ ５ ２２．５ ２２．５ ２２．５ ４ ３ ３ １５ １５ １５ ４ ４ ３ ２２７ ３０７．２ ２４１．５ ３２２．２ ２４７．５ ３２０．４ ２桁架与支架的布置 桁架与支架的布置首先取决于工艺的布置及场地的要求，支 架的高度与间距要跨过建（构）筑物并保证安全距离，同时又要避 开厂区道路设置。在基本要求满足的基础上，就要综合考虑管桁 从表１中可以看出，随着桁架跨度的增加皮带廊支架的用钢 架的合理跨度与支架优化形式。桁架的支架主要作为桁架的承重 量没有变化，单榀空间三角桁架的用钢量增加非常明显。这主要 构件，对于大跨度高度较高的皮带廊体系，支架设计的安全合理尤 是因为当桁架支架高度大于１５ ｍ时，由于支架高度较高，支架主 为重要。当支架高度较小时，一般１０ ｍ以下，可以考虑采用双实腹 要受刚度限制（高宽比及杆件长细比限制），支架受强度限制影响 柱单片滑动支架，为确保皮带廊结构的空间稳定可在间距６０ ｍ一 较小，所以当空问管桁架跨度发生改变，即作用在支架上的荷载 ７０ ｍ左右设置四柱固定支架。当管架高于１０ ｍ，双实腹柱滑动支 发生变化时，单个支架用钢量改变不大。当支架高度为３０ ｍ左 架计算上很难保证结构的安全稳定性，所以本文介绍一种双格构 右时，单个固定支架用钢量约２２．５ ｔ；单个滑动支架用钢量约为 柱滑动支架，当支架高度较高时，滑动支架宜按柔性支架设计，即 １５ ｔ。而空间三角桁架作为双向受力的梁式结构，随着跨度的增 通过计算柱顶位移反推各杆件内力。同样为了保证皮带廊纵向的 加用钢量增加非常明显。为了更直观分析桁架跨度对皮带廊结 稳定性，宜将固定架及滑动架交叉布置，具体布置方式参见图２。 构总体用钢量的影响，本文给出了皮带廊结构系统的单位用钢 量，即折算皮带廊系统的每延米用钢量，既包括桁架又包括支架。 由表１中数据可以看出，随着空间管桁架跨度的增加，皮带廊系 统的用钢量有所增加。这主要是由于皮带架空高度较大，受风荷 １ ｐｏ ５０ ｏｏｏ ５，０９０ ５０ ｏｏｏ １ ｐｏ ５０ ｏｏｏ ５，０９０ ５０ ｏｏｏ １ 载影响较明显。随着管桁架跨度的增加，为了保证桁架本身有足 够的刚度，就必须增加管桁架的截面高度及桁架钢管的直径，这 样增加了管桁架的受风面积，使桁架受风荷载的影响进一步加 图２皮带廊系统布置图 ３不同跨度桁架支架的计算分析 ３．１ 设计条件 重７．５ ｋＮ／ｍ，皮带廊平台荷载３ ｋＮ／ｍ ，皮带坡度为１。，宽度为 ３．６０ ｉｎ。皮带廊高度约３０ ｍ，总长约为３００ ｎｌ。 自然条件：抗震设防烈度为８度，基本风压：０．７０ ｋＮ／ｍ 。 大，促使随着桁架跨度增加，皮带廊系统单位用钢量有增长的 趋势。 工艺条件：氧化铝输送系统气垫带式输送机，皮带加物料荷 ４结语 １）通过工程上的比较及反馈来看，空间三角形钢管桁架无论 从用料经济性，现场美观性还是施工的方便性来看，较传统的双 片角钢矩形桁架空间结构都有着较明显的优势，值得在工程上推 广。２）从皮带廊结构系统的合理布置角度来看，尽量不要将空间 ３．２皮带廊系统设计 由于皮带桁架高度较大，本设计采用双格构柱滑动支架与四 三角桁架跨度设置过大。考虑到现场实际制作安装要求，当管桁 ｍ时，将会给桁架吊装和运输上带来不便，而且结 柱固定支架相结合的皮带桁架支撑系统。桁架跨度分别取４０ ｍ， 架跨度大于４０ ５０ ｍ，６０ ｍ，其中５０ ｍ跨度桁架支架布置图如图２所示，但图中仅 构经济性也有所下降。所以当条件允许时尽量不要采用大跨度 既不节省用钢量，也不便于制作安装。当然当管桁架跨 表示出２２０左右的皮带廊长度，剩余部分布置方式以此延续。整 管桁架，个皮带廊材料采用Ｑ２３５Ｂ级钢材。 度过小，支架的数量上有所增加，总体来看皮带廊结构系统用钢 桁架截面：４０ ｍ跨度桁架高度３．０ ｍ，５０ ｍ跨度桁架高度约 量也会上升。所以合理选择桁架跨度及支架形式尤为重要。 为３．３０ ｍ，６０ ｍ跨度桁架高度约为４．００ ｍ。桁架的宽度均为 参考文献：３．６ ｍ。桁架弦杆及腹杆截面均采用圆钢管。 ［１］ 张荣山．特种钢结构设计与施工［Ｍ］．北京：中国建筑工业 出版社．２００４． 支架截面：双格构柱滑动支架格构柱截面双钢管肢距为１．８ ｍ， 为５．００ ｍ。四柱固定支架在沿皮带方向支架上下柱距相同为 垂直皮带方向平面内采用Ａ字形布置，顶部宽度３．６ ｍ，底部宽度 ［２］ 《钢结构设计手册》编辑委员会．钢结构设计手册［Ｍ］．第３ 版．北京：中国建筑工业出版社，２００４． ５．００ ｍ，垂直皮带平面内也同样采用Ａ字形布置，顶部宽度３．６ ｍ， ［３］ ＧＢ ５００１７—２ｏ０３，钢结构设计规范［ｓ］． Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐａｃｅ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｔｒｕｓｓ ｂｅｌｔ ｃｏｎｖｅｙｅｒ ｃｏｒｒｉｄｏｒ Ｓｕｎ Ｊｉａｎ （Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｐａｃｅ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｔｒｕｓｓ ａｓ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｙｅｒ ｃｏｒｒｉｄｏｒ ｗｈｏｓｅ ｌｏａｄ—ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｓａｖｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｍｅｍｂｅｒ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｄｖｉｃｅ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｐａｃｅ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｔｒｕｓｓ ｂｅｈ ｃｏｎｖｅｙｅｒ ｃｏｒｒｉｄｏｒ．Ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｔｒｕｓｓ ｈａｖｉｎｇ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｓｐａｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｏｕｔｓｉｄｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｇｉｖｅ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｒｏｊｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐａｃｅ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｔｕｓｓ，ＰＭＳＨＡＲＰ，ｓｐａｎ ｏｆ ｔｒｈｅ ｔｒｕｓｓ，ｈｅｉｇｈｔ
