工程设计 大直径筒仓仓顶钢桁架施工支撑平台设计＊ 夏军武 周勇利 （中国矿业大学力学与建筑工程学院结构工程系，江苏徐州 ２２１１１６） 摘要：利用３Ｄ３Ｓ钢结构设计软件对大直径筒仓仓顶钢桁架施工支撑平台进行研究。首先分析了４种不同截面 的钢桁架梁在受力和约束等相同的条件下的受力性能，在钢桁架各杆件强度满足设计规范要求的前提下，主要对 比分析了４种不同截面钢桁架的刚度（即最大挠度）和总用钢量，确定了较合理的铜桁架截面形式。进一步对比分 析了平面钢桁架方案与空间钢桁架方案的整体用钢量和刚度，在满足设计要求的强度和刚度的前提下，发现空间 钢桁架方案比平面钢桁架方案节省３４．１ ～９６．７ 的用钢量，所以选择空间钢桁架作为承重体系更加经济合理。 最后，给出设计建议。 ～一 ～一～＿一墓 一～＿吾 ～一一～ ～一～一 ～一一～～邶一∞ 关键词：钢桁架；大跨空间结构；刚度；用钢量 ＤＥＳＩＧＮ ｏＦ ＳＴＥＥＬ ＴＲＵＳＳ ＰＬＡＴＦｏＲＭ ＦｏＲ ＲｏｏＦ ＣｏＮＳＴＲＵＣＴＩｏＮ ＯＦ Ａ ＬＡＲＧＥ—ＤＩＡＭＥＴＥＲ ＳＩＬｏ Ｘｉｏ Ｊｕｎｗｕ Ｚｈｏｕ ＹｏｎｇＩｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ＆Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１１１６，Ｃｈｉｎａ） 一～一～一＿～耋ｎ一～ 一～一三， ～一～一～一 ～一 ～一 工程中的滑模施工一般主要分为软盘和硬盘施 工，软盘的刚度较小，仅能承受较小的施工荷载，但 是软盘较轻，所需的提升动力较小，节省成本；为了 提高结构的承载能力且减少成本，需要设计一个轻 顶的结构是梁板式结构，筒仓内部直径为２１ ｍ，筒 仓壁厚４００ ｍｍ，梁截面均为钢筋混凝土矩形截面， 横向有４榀主梁和４榀次梁，纵向由２榀主梁和３ 榀次梁来承受主要荷载；横向梁的截面尺寸为 ７００ ｍｍ×２ ０００ ｍｍ、８００ ｍｍ×２ １Ｏ０ ｍｍ（横向主 一一一一一一一～一一 型、高刚度和高强度的结构用来搭设脚手架。以往 搭脚手架的方法是满堂布置，高度从筒底一直搭设 梁）、４５０ ｍｍ×６００ ｍｍ、３００ ｍｍ×６００ ｍｍ（横向次 梁）等；纵向梁截面尺寸为７００ ｍｍ×２ ０００ ｍｍ（纵 向主梁）、２００ ｍｍ×４００ ｍｍ、３００ ｍｍ×６００ ｍｍ、 到仓顶下面某高度处。这样做虽然能够满足要求， 但是设置满堂脚手架不仅浪费材料且空间占有率 大，从而使得施工空问较少而导致拆除和搭设不便， 影响筒仓的施工周期。为了减少脚手架的数量和脚 ４００ ｍｍＸ ６００ ｍｍ（纵向次梁）等。横向主梁的问距 从上到下依次是３ ４２５，４ ６５０，３ ５２０ ｍｍ；纵向主梁 的问距为５ ９１０ ｍｍ。 手架所占空间，本文对软盘滑模施工的大直径 （２１ ｍ）筒仓仓顶平台设计进行研究。 １设计资料及方案 １．１筒仓仓顶结构布置 筒仓仓顶施工时的上部荷载有：钢筋混凝土梁 ＊教育部新世纪人才支持计划（ＮＣＥＴ ０７—０８０４）。 第一作者：夏军武，女，１９６７年出生，工学博 教授，博士生导师。 Ｅｍａｉｌ：ｘｊｔｌｎｗ＠１６３．ｃｏｒｎ 钢筋混凝土筒仓仓顶结构布置如图１所示；仓 ４０ 收稿日期：２０１１—０４ ０８ 钢结构 ２０１１年第８期第２６卷总第１４９期 夏军武，等：大直径筒仓仓顶钢桁架施工支撑平台设计 和板的自重、施工材料的堆积荷载以及施工工具和 图２ａ为较大跨度的空问“井”字型的钢桁架结 人员的移动荷载，活荷载取为２０ ｋＮ／ｍ。 构承重体系，总共有３种桁架梁，跨度分别为１６．４， １８．６，２０．０ ＩＴＩ，桁架梁高度为１．５ Ｉ１＂１；横向梁的中心 距为４ ｍ，纵向梁的中心距为８ ＩＴＩ。所有节点全部 采用铰接，端头处做成拉耳形式，并选用１０．９级 Ｍ３０摩擦型连接高强螺栓。 图２ｂ为较大跨度的平面“井”字型的钢桁架结 构承重体系，总共有４种桁架梁，长度分别为１２， １６，１８，２Ｏ ｎｌ，桁架高度为１．５ ＩＴＩ；横向梁的中心距为 ４ ｒｆｌ，纵向梁的中心距为６ ｍ。所有节点全部采用铰 接，连接端头处做成拉耳形式，并选用ｌＯ．９级Ｍ３０ 摩擦型连接高强螺栓。 ２桁架梁上荷载取值 ２．１桁架承受荷载的种类 图１ 简仓上邵仓顶结构布置不蒽 本设计荷载的选取参考了文献Ｅ２］中的荷载取 值方法，桁架上的荷载主要包括：１）桁架自重，为恒 １．２桁架方案结构布置 根据现场调查和收集到的数据了解到，该平台 载，由程序自动计算；２）作用于桁架梁上弦的均布荷 载和集中荷载，为活载。考虑到作为临时结构，荷载 组合采用１．１恒载＋１．３活载。 ２．２桁架承受荷载的取值 是针对２１ １３１直径的筒仓施工而使用的，可以参考 ３０ ＩＴＩ直径的筒仓仓顶施工技术和设计方法 ］。本 文考虑２种结构方案，布置如图２所示。 ２．２．１上弦均布荷载 假定只有上部弦杆直接承受荷载，荷载的情况 为：１）筒仓主梁自重。截面８００ ｍｍ×２ １００ ｍｍ，按 先浇筑１ ６００ ｍｍ高计算，其自重３２ ｋＮ／ｍ；２）铺 板、模板、支架及其他活载取２０ ｋＮ／ｍ，合计５２ ｋＮ／ ｍ，取为５５ ｋＮ／ｍ，两根上弦，每根施加２７．５ ｋＮ／ｍ。 ２．２．２上弦集中荷载 作用于横向桁架梁上的集中荷载主要由纵向桁 架梁自重及其承担的筒仓主梁、模板、支架自重构成 （取３２．５ ｋＮ／ｍ），受荷范围为４ ｍ，则集中荷载为 ３２．５ ｋＮ／ｍＸ４ ｍ一１３０ ｋＮ，２根上弦，每根上弦施加 ６５ ｋＮ。作用点为横向梁上弦与纵向梁轴线相交处。 ３桁架用钢量和挠度对比分析 ３．Ｉ桁架截面形式选择 本设计采用同济大学研制的３Ｄ３Ｓ钢结构设计 软件进行桁架截面的验算和确定；采用了４种截面 方案，如图３所示。 ３．２桁架用钢量和挠度对比 利用３Ｄ３Ｓ钢结构设计软件计算得到了４种截 ａ一空间桁架结构；ｂ一平面桁架结构 图２ ２种结构方案的三维视图 面选择方案的挠度和总用钢量，最大挠度和总用钢 量见表１。 Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１１（８），Ｖｏ１．２６，Ｎｏ．１４９ ４１ 工程设计 一一一一 ａ弦杆双拼角钢、腹杆圆钢管；ｂ弦杆圆钢管、腹杆双拼角钢；ｃ全部采用双拼角钢；ｄ 全部采用 钢管 图３ ４种截面形式的桁架示意 表ｌ不同截面方案对比 ［矾５８ ． ［Ｌ Ｌｒ］ ： ４．ｊ ４ Ｉ５５ ：ｉ ： ．Ｉ】４ ６ ２ ： ．２ ：｛ ４ 截而方案编号 ｝ ， ． ． 截ｌ自Ｉ万案编号 由表１可知：对于空间桁架来说，方案１的最大 ¨ ¨ 挠度虽然较大，但是用钢量最小，由于这４种方案的 最大挠度值都满足ＧＢ ５００１７—２００３｛钢结构设计规 范》要求，若不考虑挠度的影响，应选择方案１；这４ 卜一空间桁架最大挠度；２一平面桁架最大挠度； ３窄问桁架用钢量；４平面桁架用钢量 图４卒间和平面桁架最大挠度和用钢繁对比 ｇｇ＼ 孵 ｌ，咖 旺 ｂ 种方案的结果都是在满足ＧＢ ５００１７—２００３前提下 得到的，所有杆件的强度及应力比和稳定性都满足 要求；比较表１中方案３和方案４还可以看出，双角 钢桁架挠度为４６．２０ ｍｍ，而圆钢管桁架的挠度为 挠度分别是空问钢桁架的４１．６ ，６１．１ ，３７．２ ， ４５．２ ，但是其用钢量却是空间钢桁架的１７０ ， ７１ ，１３４ ０ ０，９７ 。从这些数据可知，空问钢桁架的 整体刚度要大于平面钢桁架，而且当挠度都满足设 ６Ｏ．１６ Ｉ￣ＩＩｌｌ，约为双角钢的１．３倍；双角钢的用钢量 为２９ ９７１ ｋｇ，而圆钢管桁架的用钢量为４３ ６８６ ｋｇ， 约为双角钢的１．４５８倍，而双角钢的挠度是圆钢管 的７６．８ ；说明圆钢管桁架的整体刚度大于双角 钢，比双角钢经济；但是比较方案１和方案３可得， 计规范要求时，空问钢桁架的用钢量要比平面钢桁 架少得多。所以选择空问钢桁架结构承重足经济合 理的。 ４ 结 论 挠度提高了１２．３ ，用钢量却增加了１３．８ ，所以 相比较而言，方案１比方案３更经济；至于方案１和 １）采用３Ｄ３Ｓ钢结构设计软件对洗煤筒仓仓顶 施工钢桁架平台进行设计，得到满足规范和实际要 方案２比较，虽然挠度降低了１６．８ ，但用钢量增 加了５１．０ ，显然方案１更经济；方案１比方案４ 的经济性也是显而易见的。综上所述，选择截面方 案１更加经济。 求的空间钢桁架承重体系。通过软件的计算和验 算，最终确定满足受力要求的各个杆截面形状和大 小。 ２）通过对比分析不同截面形式的钢桁架结构的 最大挠度和用钢量，分别考虑４种截面形式的空间 对于平面桁架来说，方案２的挠度最大，为 ２７．２１ ｍｍ，但仍满足规范规定的最大挠度限制 ２Ｏ ０００ ｍｍ／１８０—１１１ ｍｍ，所以，挠度不是主要考 桁架和平面桁架，最终确定采用弦杆为双拼角钢、腹 杆为圆钢管的截面方案。原因在于该截面形式的钢 桁架其用钢量较低，更加经济合理。 ３）对于空间钢桁架梁的截面形式的选择，建议 （下转第５Ｏ贞） 钢结构 ２０１ １年第８期第２６卷总第ｌ４９期 虑的因素；但是它的用钢量却是最省的，故应选择截 面方案２来设计平面桁架承重结构体系。 由图４可知：对于４种方案，平面钢桁架的最大 ４２ 加工制作 法进行限制。 ３７０ ｒｎ钢管塔单基塔嘱５９ ９９０ ｋＮ，档 ２ ７５６ ｍ，均 为世界之最。该塔塔身底部主管最大规格４）２ ０００ｘ ２５，塔身事２ ０００、巾１ ９００、（｝１ ８００，主管均采，｛ｊ内外法 与日本标准相比，尽管热矫正加热温度基本一 致，但冷却方法不同。日本对ＳＴＫ５５、ＳＳ５５、ＳＭ５０ 钢在进行水冷时，要求先空冷到６５０℃后再水冷；对 ＳＴＫ４１、ＳＳ４１钢采用水冷或者空冷。我国标准一般 兰连接，其余主管采用外法兰连接。材质方面，横拟 主材采用了ＡＳＴＭ—Ａ５７２一Ｇｒ６５高强钢。该塔由浙 为自然冷却。 ４钢管塔制作监造技术 钢管塔监造是保证加工制作质量的有效手段。 国外在铁塔监造方面主要采取关键点监造方式，目 江盛达制造。其中，大直径钢管制作技术、球 制 作技术、具有瓦换性的钢结构焊接构件模板制造技 术、双排螺栓孔法兰焊接变形控制技术、大塔脚法 孑Ｌ扩孔技术等成为新一代大负荷钢管塔的加丁关键 技术，对高塔设计与加工有较好的借鉴意义ｌＪ 。 ６ 结 语 前没有成熟的监造技术文件可以借鉴。 我国铁塔监造主要采用驻厂监造方式，从２００１ 年三峡输变电５００ ｋＶ线路工程开始，我国的输电 线路铁塔监造技术已经日臻成熟。不仅有比较完整 日前，我国已经制作出世界第一离塔、ｌ址界最高 强度等级的钢管塔，在输电线路钢管塔制造方面，尤 的监造技术文件，在监造工作实践中，也掌握了钢管 塔监造关键点，积累了大量的钢管塔监造经验，对保 证输电线路钢管塔的制作质量起到了积极的作用。 ５工程应用 论从技术标准、技术装备、加工水平等方面已 日本 相当，我国输电线路钢管塔制造技术已经达到了国 际先进水平。 我国在铁塔构件的防腐技术方面，特别足镀锌 装备、环保水平方面，仍与日本有较大的差 ；构ｆ，｝： 加工精细化水平、整塔的装配精度仍有待进一步提 高。 参考文献 ［１］Ｑ／ＧＤＷ ３８４ ２００９输电线路钢管塔加Ｊ：技术规程Ｅｓ］． Ｅ２３ 昭和７Ｏ年（１９９５） 输电用钢管铁塔制造标准［ｓ］． Ｅ３］昭和６１年（１ ９８６） 钢管铁塔熔接施Ｉ 基准ＥＳ］． Ｅ４］ 昭和６】年（］９８６） 钢管铁塔熔接检查基准ＥＳ］， Ｅｓ］ＤＬ／Ｔ ６４６输变电钢管结构制造技术条件Ｅｓ］． Ｅ６］ＷＥＳ ８１０３关于结构件焊接施：Ｉ 及管理技术人员资格认 标 准Ｅｓ］． ＥＴ］ＮＤＩＳ ０６０１非破坏性榆验技术员技术认定规程Ｅｓ］． ［８］ 常建伟，徐德录．输电铁塔用钢及其焊接技术［【、］／／第ｐ—Ｊ［＝Ｊ； 电站焊接学术讨论会沦文集．济南：２Ｏ１０，１１：５８—６３． ２００８年以来，仅国家电网公司系统，在２２０， ５００，７５０，１ ０００ ｋＶ等电压等级的多条交流输电线 路，及多个电压等级的直流输电线路大跨越中应用 了钢管塔。 目前，已有输电线路中钢管塔制作最高材质配 置为：练塘一泗泾５００ ｋＶ线路Ｑ４６０Ｃ（直缝焊管）＋ Ｑ３４５一Ｂ（带颈法兰）；酒泉一安西７５０ ｋＶ线路Ｑ４２０一 Ｃ（直缝焊管）＋Ｑ４２０一Ｃ（带颈法兰）。 ２０１０年１１月２日，国内首基Ｑ６９０钢管塔真型 试验获得成功＿ｇ］，该塔呼高２１ ＩＴＩ，全高５１ ｒｎ，塔重 ４５２．２７ ｋＮ，由河南鼎力制造。该塔采用刚性法兰 焊接结构，钢管、平板法兰、加劲板均采用Ｑ６９０一Ｃ 材质，是目前世界上最高强度等级的输电铁塔。真 型试验中，９０。大风工况超载到１９０ 发生破坏。 Ｅ９］刘清华，解鸿斌．首荩Ｑ６９Ｏ高强钢管塔完成真 试验［Ｎ］．【日 家电网报，２Ｏｌｏ－１１—１ ２（３）． 大跨越塔中，舟山２２０ ｋＶ大跨越工程的６基高 ［１Ｏ］李奉阁，赵根田．空间网架结构质量控制ＥＪ］．钢结构，２００７，２３ （１）：Ｊ１一］３． 塔及８基锚塔全部采用钢管塔设计。其中两基高 ５０ 钢结构 ２０１１年第８期第２６卷总第１４９期