下部平接鋼結(jié)構(gòu)通廊SAP2000建模分析

摘 要：帶式輸送機(jī)通廊有時(shí)做成下部平接鋼結(jié)構(gòu)通廊，這種結(jié)構(gòu)形式的鋼桁架通廊與結(jié)構(gòu)力學(xué)平面桁架計(jì)算方法稍有不同，文章采用結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000并結(jié)合工程實(shí)力對這種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了建模分析，并用PKPM對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較與分析，指出了二者之間的區(qū)別并進(jìn)行了分析，對類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī)；下部平接鋼通廊；SAP2000；PKPM；建模分析比較

引言

帶式輸送機(jī)又稱膠帶輸送機(jī)，可用于水平運(yùn)輸或傾斜運(yùn)輸，由于使用方便，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代各種工業(yè)企業(yè)中，如礦山井下巷道、地面運(yùn)輸系統(tǒng)、露天采礦場及選礦廠等。帶式輸送機(jī)大多安裝在通廊內(nèi)，由于運(yùn)輸距離長，其通廊長度大，有時(shí)要跨越地面建筑物、道路河流等，這種情況下大多采用鋼結(jié)構(gòu)通廊（簡稱鋼通廊）。鋼通廊相比混凝土結(jié)構(gòu)通廊而言，由于具有自重輕、跨度大、節(jié)省材料、施工方便以及可以合理利用場地等優(yōu)點(diǎn)，近年來帶式輸送機(jī)鋼通廊的應(yīng)用越來越廣泛。鋼結(jié)構(gòu)通廊的結(jié)構(gòu)形式一般采用空間桁架，為減小桁架高度、減少外側(cè)墻面彩板面積及節(jié)約鋼材量，桁架下弦桿件可選用工字鋼或H型鋼，將支承帶式輸送機(jī)支腿荷載的梁和起橫向聯(lián)系作用將荷載傳至桁架節(jié)點(diǎn)的水平橫梁布置成頂面與桁架下弦工字鋼或H型鋼頂面平齊，我們將這種鋼結(jié)構(gòu)通廊稱之為下部平接鋼結(jié)構(gòu)通廊。本文將結(jié)合工程實(shí)例，運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000對這種結(jié)構(gòu)形式的鋼通廊進(jìn)行了建模分析，同時(shí)用PKPM進(jìn)行了校核，為此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析提供一種方法和思路，具有一定的借鑒和參考意義。

1 工程實(shí)例概況

某鋼廠燒結(jié)工程項(xiàng)目中一段跨度為30m的膠帶機(jī)通廊，膠帶機(jī)支腿荷載為5kN/m，兩側(cè)走人處活荷載為3.0kN/m2，該段通廊要求不封閉不采暖。根據(jù)以上要求選用結(jié)構(gòu)形式為下部平接鋼桁架通廊，結(jié)構(gòu)布置方案如下：由于工藝要求凈寬度3.5m，考慮鋼桁架端部門型架寬度等布置兩側(cè)桁架中心線距離為3.8m；上弦布置十字交叉水平支撐L75x6，上弦水平連接橫梁選用2[12.6背對背組合；桁架下弦布置膠帶機(jī)支腿梁I16和水平連接橫梁HW175x175x7.5x11，滿鋪-5紋鋼板（下方設(shè)-60x6@500加勁板，紋鋼板及加勁板與鋼梁焊接牢固可靠，可假定紋鋼板平面內(nèi)剛度無窮大）；桁架高度取2.7m，桁架端豎桿HM294x200x2x12，端斜腹桿2L125x8，其他斜腹桿2L90x6，桁架所有直腹桿均為2L75x6。

2 SAP2000建模分析及結(jié)果

將以上布置方案在SAP2000中建立模型，為方便與PKPM計(jì)算結(jié)果比較，僅定義了恒載dead和活載live兩種荷載模式（材料自重由軟件自帶的DEAD荷載模式計(jì)算），鋼材材質(zhì)定義為Q235B，鋼材截面選用中國標(biāo)準(zhǔn)型鋼，-5紋鋼板定義成忽略鋼板受拉強(qiáng)度的虛擬面（受拉方向上剛度修正為0），此面上的荷載定義為均勻分配到框架上，定義構(gòu)件鉸接及施加其他荷載后的最終計(jì)算模型如圖1所示，計(jì)算出的單片桁架軸力如圖2所示（1.2恒+1.4活組合），計(jì)算構(gòu)件全部滿足要求。

3 與PKPM桁架計(jì)算結(jié)果比較分析

為校核SAP2000計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者用PKPM桁架計(jì)算進(jìn)行了校核。PKPM單片桁架模型的尺寸及截面與SAP2000模型中完全一致，通過手算將上、下弦恒活荷載等效轉(zhuǎn)化為桁架節(jié)點(diǎn)荷載，并在桁架模型中假定所有節(jié)點(diǎn)連接均為鉸接。PKPM計(jì)算出的單片桁架軸力圖如圖3所示（1.2恒+1.4活組合）。

為方便比較，筆者將SAP2000與PKPM對于同一片桁架主要桿件的軸力值（1.2恒+1.4活組合）列于表1中（皮帶機(jī)支腿梁I16軸向力釋放見后續(xù)分析）。通過觀察表格中數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：

（1）桁架上弦桿件軸向壓力最大值基本一致，兩種軟件結(jié)算結(jié)果相差不到3%。

（2）桁架下弦桿件軸向拉力差值大于3%，SAP2000計(jì)算出的結(jié)果比PKPM小3.66%。

（3）桁架端斜腹桿計(jì)算軸向力基本一致，兩種軟件結(jié)算結(jié)果相差不到3%。

通過分析以上規(guī)律及查找二種軟件模型中的不同之處，筆者認(rèn)為SAP2000與PKPM在單片桁架模型計(jì)算上存在不同之處。首先是在SAP2000單片桁架模型中，整個(gè)桁架上、下弦桿件在節(jié)點(diǎn)處并未打斷（剛接），而PKPM在所有節(jié)點(diǎn)處全部定義成鉸接（與結(jié)構(gòu)力學(xué)中平面桁架基本假定一致）。其次，SAP2000中模型為空間模型，空間桁架在荷載作用下發(fā)生整體彎曲變形，桁架下弦平面上的所有構(gòu)件都參與分配軸向拉力，即桁架下弦桿件和皮帶機(jī)支腿梁都承受軸向拉力。同理，若下弦平面上鋪設(shè)的-5紋鋼板平面剛度不修正為0，那么它也會參與受拉，分走很大一部分軸力（讀者可自行建模驗(yàn)證）。實(shí)際工程中由于鋼板往往后鋪設(shè)且多為間斷焊，不考慮這部分的受拉作用。為驗(yàn)證以上分析，筆者在SAP2000模型中將皮帶機(jī)支腿梁I16的軸力釋放掉（即假定改梁也不參與受拉），重新計(jì)算后桁架下弦所承受的軸向拉力最大值由原來的549.35Kn變成了583.64Kn，也就是說桁架下弦桿的軸力增大了34.29Kn，這就與PKPM計(jì)算結(jié)果就很接近了（差值小于3%），這也證明了筆者的分析是正確的。同時(shí)我們也可以推測出若皮帶機(jī)支腿梁截面由I16大為H型鋼的話，它所分走的桁架下弦軸向拉力也會更大，跨度越大這部分力也會越大，對桁架的設(shè)計(jì)分析影響也會越大。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，須對大跨度鋼通廊結(jié)構(gòu)（如跨度大于60m鋼通廊）中皮帶機(jī)支腿梁所承受的軸向拉力引起足夠的重視，筆者建議對這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用兩種軟件計(jì)算校核。此外我們還可以發(fā)現(xiàn)本例中承受軸向力為主的桁架，上、下弦節(jié)點(diǎn)處剛接、鉸接的計(jì)算結(jié)果基本一致，次應(yīng)力影響較小可忽略。

4 結(jié)束語

本文通過對下部平接鋼結(jié)構(gòu)通廊運(yùn)用SAP2000進(jìn)行整體建模分析以及與PKPM計(jì)算結(jié)果的比較，我們可知下部平接鋼結(jié)構(gòu)通廊這種結(jié)構(gòu)形式的鋼桁架與傳統(tǒng)的桁架計(jì)算存在一定的區(qū)別，SAP2000計(jì)算出的桁架下弦桿件比傳統(tǒng)單片桁架計(jì)算出的截面小，若據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì)須重視和合理利用皮帶機(jī)支腿梁的軸心受拉作用?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)中可能檢修或者更換皮帶機(jī)支腿梁，此時(shí)桁架下弦桿件強(qiáng)度就可能不滿足要求了，筆者建議下弦桿件截面仍PKPM的計(jì)算結(jié)果選取，這樣設(shè)計(jì)更保守和安全可靠。此外也可考慮桁架預(yù)起拱作用，它也能一定程度上抵消下弦桿件在軸向拉力作用下所產(chǎn)生的變形，減小下弦桿件（含皮帶機(jī)支腿梁）的軸向拉力。由于筆者能力和水平有限，文中不對與不足之處，懇請同行及前輩們批評指正。

參考文獻(xiàn)

[1]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.SAP2000中文版使用指南（第2版）

[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2]文慧波.帶式輸送機(jī)通廊鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].工程設(shè)計(jì)與研究，2009，12（127）：29-39.

[3]李欣，王燕.鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)通廊設(shè)計(jì)[J].鋼結(jié)構(gòu)工程研究，2008（增刊）：481-486.

[4]付征耀，羅福盛.膠帶機(jī)通廊系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].鋼鐵技術(shù)，2008（1）：37-42.

作者簡介：樊正軍（1983-），男，工程師。