輸煤棧橋桁架平面與空間計算對比

馮曉亮

摘 要：本文以國泰紙業(yè)（唐山曹妃甸）有限公司年產(chǎn)170萬噸造紙生產(chǎn)線一期工程自備熱電廠中的1#輸煤棧橋為例，著重介紹在鋼結(jié)構(gòu)輸煤棧橋設(shè)計中，就平面模型和三維空間模型計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，為今后的工程設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)輸煤棧橋;平面計算;PKPM（STS）;空間計算;Midas/Gen;有限元

1、工程概況和軟件介紹

本工程位于河北省唐山市曹妃甸開發(fā)區(qū)。1#輸煤棧橋位于轉(zhuǎn)運站與碎煤機房之間，全長49.0m，棧橋?qū)?m，高3m，水平傾角16°;棧橋支柱采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部橋身結(jié)構(gòu)采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，橋身頂棚和側(cè)面采用輕型圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

PKPM（STS）是PKPM系列的一個功能模塊，既能獨立運行，又可與PKPM其他模塊數(shù)據(jù)共享;可以完成鋼結(jié)構(gòu)的模型輸入、優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)計算、連接節(jié)點設(shè)計與施工圖輔助設(shè)計。本工程設(shè)計采用STS進(jìn)行平面建模計算。

Midas系列軟件是由韓國浦項集團(tuán)CAD/CAE研發(fā)機構(gòu)研發(fā)的以有限元為理論基礎(chǔ)的分析和設(shè)計軟件，Midas/Gen作為Midas Family Program之一， 是土木、建筑部門通用的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計軟件。本工程設(shè)計采用Midas/Gen進(jìn)行空間建模計算。

2、荷載及計算模型

2.1 荷載取值

1） 恒載（標(biāo)準(zhǔn)值）：屋面荷載為0.3kN/m2，因采用組合樓面，計算時取樓面荷載5.0kN/m2;

2）活載（標(biāo)準(zhǔn)值）：屋面活載取為0.4kN/m2，樓面荷載4.0kN/m2;

3）風(fēng)載：基本風(fēng)壓0.40kN/m2，地面粗糙度類別為A類;

4）地震作用：抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本加速度為0.15g，設(shè)計地震分組為第二組。建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期值0.55s;

根據(jù)荷載規(guī)范及荷載取值，選取荷載組合工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體受力分析及變形計算。

2.2 計算模型

2.2.1 PK平面模型

一般我們計算鋼桁架棧橋都將其拆分為四個平面結(jié)構(gòu)體系：①由上弦桿、下弦桿、腹桿及端豎桿組成的主桁架，承受豎向荷載;② 由上下弦桿、橫梁及支撐組成的上下弦水平支撐桁架承受水平荷載;③ 支座處由立柱及橫梁組成的平面剛架承受兩個主桁架及支撐傳來的垂直及水平荷載。

用PKPM（STS）對主桁架進(jìn)行建模計算。輸入桿件截面尺寸時要注意各桿件的允許長細(xì)比，按照規(guī)范相應(yīng)規(guī)定執(zhí)行。將輸煤棧橋所有荷載的一半折算成節(jié)點荷載施加到鉸接平面桁架上，最高端為滑動支座，其余為鉸接支座。

2.2.2 Midas空間模型

將端柱與其相連的上下橫梁剛接，形成封閉的剛架，上下弦桿作為一根梁單元與端柱形成平面框架，弦桿在節(jié)點處為連續(xù)的剛接節(jié)點，其他腹桿和橫梁在節(jié)點處以鉸接方式與弦桿鏈接。

3、分析截面及幾何尺寸

4、計算結(jié)果及分析

4.1 結(jié)構(gòu)周期

Midas/Gen采用子空間迭代法進(jìn)行特征值向量分析。結(jié)構(gòu)的固有頻率先出現(xiàn)在剛度較小的方向和部位，對于本棧橋而言，橫向剛度相對較弱，所以第一振型為Y向的平動，第二振型為X向的平動，第三振型為Z向的彎曲加扭轉(zhuǎn)。

PKPM（STS）PK模型僅能計算X向平動，周期T為0.708。

4.2 應(yīng)力比比較

PKPM（STS）計算的結(jié)果是應(yīng)力比，而邁達(dá)斯直接顯示的是應(yīng)力結(jié)果，故要將其轉(zhuǎn)化成應(yīng)力比后再行對比。

經(jīng)比較兩種模型發(fā)現(xiàn)，斜腹桿應(yīng)力比差別很小，比如圈出的斜腹桿，STS計算應(yīng)力比是0.54，邁達(dá)斯計算的應(yīng)力是127.1，應(yīng)力比就是127.1/215=0.59?？臻g模型的支座處的立柱、上下弦桿及豎腹桿應(yīng)力比大多都比平面模型的稍大一些。比如圈出的立柱、上弦桿及豎腹桿的應(yīng)力比分別為0.36，0.25和0.16，空間計算結(jié)果的應(yīng)力分別為94.0，61.9和63.9，轉(zhuǎn)化為應(yīng)力比分別是0.43，0.29和0.30。支座處的立柱，上、下弦桿及豎腹桿空間模型計算的結(jié)果比平面模型的大，主要是因為空間模型額外考慮了平面外傳來的水平荷載。

4.3 位移比較

結(jié)構(gòu)在恒載+活載（標(biāo)準(zhǔn)值）作用下兩種模型的節(jié)點位移圖

下表表示圖12圈出的點的節(jié)點位移（STS/Gen）（節(jié)點從左到右依次編號）

從表中數(shù)據(jù)可以看出，兩種模型計算的節(jié)點位移有差別但是相差不大。

5、結(jié)語

1、經(jīng)過結(jié)構(gòu)周期、應(yīng)力比及位移三個方面的對比，可以看出兩種模型在結(jié)構(gòu)周期及位移方面相差甚小，平面模型的參考價值很大，應(yīng)力比方面因空間模型額外考慮了平面外水平荷載，相對平面模型還是大一點，所以如果平時設(shè)計中采用平面模型進(jìn)行簡化計算，那么構(gòu)件的應(yīng)力比不能太大，建議0.7～0.8為宜。

2、采用空間模型計算鋼桁架棧橋時，力學(xué)概念明確，從整體分析空間受力情況，使得計算結(jié)果更加精確合理， 不易出錯。但也必須對計算結(jié)果進(jìn)行判斷，避免建模時不恰當(dāng)?shù)暮喕瘜?dǎo)致概念性錯誤。

3、如采用平面模型計算時，應(yīng)按照本文前述將其分為幾個平面結(jié)構(gòu)體系分別計算，綜合考慮相互作用，這樣得到的結(jié)果就會更加接近空間模型，更加合理。

參考文獻(xiàn)：

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[3] GB 50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范

[4] Midas 軟件使用手冊

[5] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊（第三版）