1、前言
    棧橋一般指形狀像橋的構(gòu)筑物，車站、港口、礦山或工廠，用于裝卸貨物或上下旅客或?qū)９┦┕がF(xiàn)場交通、機(jī)械布置及架空作業(yè)用的臨時(shí)橋式結(jié)構(gòu)。在土木工程中，為運(yùn)輸材料、設(shè)備、人員而修建的臨時(shí)橋梁設(shè)施，按采用的材料分為木棧橋和鋼棧橋。輸煤棧橋是煤礦建設(shè)中主要的輔助生產(chǎn)構(gòu)筑物，這些輸煤棧橋大部分采用鋼結(jié)構(gòu)形式。鋼結(jié)構(gòu)具有材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，適用于大跨度結(jié)構(gòu)；大量的鋼結(jié)構(gòu)一般在專業(yè)化的金屬結(jié)構(gòu)廠做成構(gòu)件，在工地拼裝，施工周期短。由于以上兩個(gè)特點(diǎn)，煤礦建設(shè)中越來越多地采用鋼結(jié)構(gòu)棧橋。目前國內(nèi)大跨度輸煤棧橋結(jié)構(gòu)形式一般采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。本工程采用鋼結(jié)構(gòu)平行弦棧橋。
在棧橋設(shè)計(jì)之前應(yīng)先行了解工藝布置簡圖及所需結(jié)構(gòu)形式。在常規(guī)設(shè)計(jì)中，桁架主要有平行弦式和下?lián)问?種結(jié)構(gòu)形式。平行弦桁架的支座位于下弦兩端節(jié)點(diǎn)，故在其高度范圍內(nèi)，桁架可用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)墻骨架；當(dāng)采用平行弦桁架時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，一般應(yīng)在兩端設(shè)門形剛架，在桁架的上弦和下弦處，宜通長設(shè)置桁架間縱向水平支撐，同時(shí)設(shè)置橫向垂直支撐。而下?lián)问借旒艿闹ё�位于上弦端�?jié)點(diǎn)，由于其自重對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有利，故在桁架之間，沿全長設(shè)置上下弦縱向水平支撐，同時(shí)設(shè)置橫向垂直支撐即可；下?lián)问借旒艿慕Y(jié)構(gòu)形狀，更接近構(gòu)件的彎距包絡(luò)圖，受力更合理。綜合考慮2種桁架形式，因本工程采用露天棧橋，不需側(cè)向圍護(hù)，但考慮到桁架跨越河道，應(yīng)滿足桁架下弦底面至河面最高水位凈高要求，故采用平行弦桁架結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，由于凈高的要求，造成棧橋下側(cè)支柱較長，很難滿足強(qiáng)度要求，故將此桁架兩端支座做成三角形桁架式。此時(shí)，既可以滿足下側(cè)支柱強(qiáng)度要求，又有利于桁架計(jì)算跨度的減小。
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2、桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    本工程是跨越河流的一段輸煤棧橋，為露天式棧橋，跨度116米，矢高9米，橋面寬度8米，坡度為0度。桁架主體構(gòu)件有上弦鋼梁、下弦鋼梁、上下弦之間的腹桿、橋體兩端的框口柱、框口梁、橋面及頂面的鋼梁及水平支撐、兩榀桁架之間的垂直支撐。橋面滿鋪花紋鋼板，管狀皮帶支腿間距為18m，支承于樓面鋼梁之上。桁架上下弦鋼梁及框口柱、框口梁均為焊接H型鋼。腹桿中的豎桿采用國標(biāo)H型鋼，斜桿采用等肢雙角鋼。棧橋樓面恒載即為花紋鋼板自重、其下的加勁肋自重、樓面水平支撐自重、樓面鋼梁自重及管狀皮帶支腳傳來的荷載。棧橋樓面活載即為檢修荷載，取為2kN／m2。屋面恒載包括屋面水平支撐自重、屋面鋼梁自重；由于本工程棧橋不封閉，故屋面活載可不考慮。該地區(qū)基本風(fēng)壓為0. 45kN／m2 (n=50，B類場地)；基本雪壓0. 40kN/m2 (n=50)；抗震設(shè)防烈度為6度；設(shè)計(jì)基本地震加速度為0. 05g;設(shè)計(jì)地震分組為第二組。建筑場地類別為Ⅱ類。
3、計(jì)算模型
3.1平面模型
    桁架計(jì)算一般可將空間體系轉(zhuǎn)換為平面體系進(jìn)行計(jì)算，棧橋側(cè)向兩個(gè)單榀桁架承受由屋面和樓面?zhèn)鱽淼呢Q向荷載。棧橋兩端支座處由兩個(gè)平面剛架承受兩個(gè)側(cè)面垂直桁架傳來的垂直和水平荷載。在PKPM (STS)中，取輸煤棧橋單側(cè)桁架建模。建模類型選擇桁架，將棧橋樓面及屋面恒載及活載的一半布置到桁架上下弦的節(jié)點(diǎn)處，桁架左側(cè)為固定鉸支座，右側(cè)為滑動支座。如圖2所示。
4、計(jì)算結(jié)果及分析
4.1結(jié)構(gòu)動力特性分析
    結(jié)構(gòu)自振特性是結(jié)構(gòu)固有動力指標(biāo)，是自由振動時(shí)結(jié)構(gòu)周期、頻率及振型。自振周期主要取決于結(jié)構(gòu)的組成體系、質(zhì)量、剛度、質(zhì)量分布以及支撐條件等，同時(shí)自振特性也是進(jìn)行動力分析的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)動力分析中最基本的問題是計(jì)算自振頻率和振型以及阻尼。由于阻尼對結(jié)構(gòu)自振特性的影響很小，因此在求結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型時(shí)，通常忽略阻尼的影響。結(jié)構(gòu)固有頻率和振型采用模態(tài)分析確定。
    SAP2000軟件提供兩種方法進(jìn)行模態(tài)分析，特征向量法和Ritz向量法。目前SAP2000程序常使用相對穩(wěn)定的子空間迭代法進(jìn)行特征向量分析。本工程即采用這種方法對空間桁架計(jì)算模型進(jìn)行模態(tài)分析。
    結(jié)構(gòu)的固有頻率先出現(xiàn)在剛度較小的方向和部位，對本工程的鋼棧橋來說，豎向剛度較弱，所以一階振型為Z向的平動振型，即在豎向面內(nèi)發(fā)生平動位移。水平振型出現(xiàn)在第二階，說明豎向及水平向剛度基本均勻，剛度布置較為合理。第一振型周期為T1=5. 48755;第二振型周期為T2=5. 34041;第三振型周期為T3=2. 74702。
4.2位移計(jì)算
    恒載與活載作用下的節(jié)點(diǎn)位移相差不大，由于整體計(jì)算考慮變形協(xié)調(diào)，
    所以SAP2000計(jì)算的位移值略小。
  表1恒載標(biāo)準(zhǔn)值+活載標(biāo)準(zhǔn)值的部分節(jié)點(diǎn)位移(STS/SAP2000)
  考慮到結(jié)構(gòu)跨度較大，應(yīng)預(yù)先起拱。棧橋桁架受活載影響較小，故以恒載產(chǎn)生的豎向位移為準(zhǔn)對桁架進(jìn)行反向拱。
  4.3應(yīng)力比計(jì)算
    下弦計(jì)算部分桿件應(yīng)力比值，如表2所示。
    同樣的桿件型號，SAP2000應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果均比STS的結(jié)果小，表明
STS計(jì)算確定的桿件尺寸有一定余度。
4.4支座的處理
    由于本工程桁架很長，在恒載及活載作用下產(chǎn)生的水平位移已經(jīng)非常大，再則受溫度荷載的影響不容忽視，綜合上述各種工況，在右側(cè)支座端部產(chǎn)生的位移可達(dá)240mm。普通的輥軸支座處理大位移較為不合理，故選用橋梁專業(yè)上普遍使用的橡膠支座，取得了良好的使用效果。
4.5側(cè)向水平荷載的探討
    本工程由于棧橋不封閉，僅有鋼桁架骨架。但由于長度超長，水
平風(fēng)荷載及地震作用對其影響不能忽略。風(fēng)荷載可根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001中表7.3.1的第32項(xiàng)確定桁架的體型系數(shù)。而后可采用虛面的方法進(jìn)行風(fēng)荷載的施加。
    地震作用直接在SAP2000中采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算。
4.6基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的探討
   本工程棧橋共有4個(gè)支腿，左側(cè)兩個(gè)支腿采用固定鉸支座，右側(cè)兩個(gè)支座采用滑動鉸支座。每個(gè)支座下側(cè)采用承臺樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。由于在水平荷載的作用下，棧橋支座下側(cè)將產(chǎn)生方向相反的X向及Y向水平剪力。故在設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)時(shí)不宜將棧橋某一側(cè)兩支座的承臺做成整體，因此時(shí)樁所受的水平剪力將不清晰。宜將各支座承臺分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其受力更加合理。
5、結(jié)論
    對于鋼結(jié)構(gòu)超長棧橋的平面計(jì)算，由于結(jié)構(gòu)體系拆分較多，計(jì)算簡圖之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系難于準(zhǔn)確把握，容易導(dǎo)致構(gòu)件設(shè)計(jì)偏于保守。
    采用SAP2000進(jìn)行空間計(jì)算分析，與傳統(tǒng)平面設(shè)計(jì)方法相比，力學(xué)概念明確，從整體分析空間受力情況，計(jì)算結(jié)果更為合理準(zhǔn)確，不易出錯(cuò)。且可以考慮多種工況的組合，更容易把握結(jié)構(gòu)特性。但應(yīng)注意對分析結(jié)果進(jìn)行判斷，避免由于不恰當(dāng)?shù)暮喕瘜?dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。