粮食仓储物流工程中的设备输送栈桥因其粮食进出仓功能的需要, 往往分别搭接在不同的建筑物 (构筑物) 之间, 或者架设于较高的栈桥支架上部, 若采用混凝土结构栈桥则存在高空支模浇筑困难, 即便采用预制混凝土结构, 也因混凝土结构自重大而存在吊装困难的问题, 而钢结构具有强度大、自重轻、吊装方便等优点, 所以在工程建设中钢结构栈桥应用较为广泛。本文就钢桁架栈桥设计中的几点细节展开论述。

钢结构栈桥主要分为实腹式钢梁栈桥和桁架式栈桥。实腹式钢梁主要用于跨度不大于10 m的栈桥且其上部设备输送荷载较小的情况;跨度较大时则主要采用桁架式栈桥, 桁架式栈桥具有单位面积自重轻、挠度小等优点。

桁架式栈桥可分为上承式 (桁架上弦承受竖向荷载) 及下承式 (桁架下弦承受竖向荷载) 。上承式桁架栈桥即廊道面位于桁架上弦, 设备和行人均通行在桁架上弦, 其具有矢高可随跨度灵活调整的优点;下承式桁架栈桥廊道面位于桁架下弦, 设备和行人均通行在桁架下弦, 其矢高除满足设备输送要求外, 还要考虑人员通行的净空要求, 因此下承式桁架栈桥矢高通常不小于2.5 m, 且栈桥内部净空不小于2 m。下承式桁架通常用钢量要比上承式稍大。但下承式桁架栈桥因人员行走在钢结构桁架组成的骨架内部, 而让人更有安全感。在大型港口或粮食中转库中, 因作业人员操作及检修通行频繁, 建设单位往往要求采用下承式栈桥[1]。

桁架栈桥的通常跨度为20~50 m, 根据以往的设计经验和计算统计, 在跨度为30 m左右时构件的应力能够得到充分利用, 经济效益好。为此, 长距离输送栈桥, 宜选用30 m左右的标准跨度。桁架的高度为跨度的1/10~1/14时, 材料的性能发挥得较为充分, 即栈桥的高度通常为2~3 m比较合理。

在同一条设备输送线上, 对于下承式桁架, 因人行通道的净高要求是定值, 不同跨度的桁架高度宜相同;对于上承式桁架, 不同跨度的桁架高度也宜相同, 小跨度的桁架高度宜与大跨度的栈桥高度一致, 以便外观整齐、美观, 如图1、2所示。

图1 某港口仓储项目上承式栈桥立面简图   下载原图

图2 某港口仓储项目下承式栈桥立面简图   下载原图

对于超大跨度的栈桥, 如跨度大于50 m时, 仍采用上下弦杆平行的桁架形式, 由于上弦、下弦中间段构件应力较大而其余构件应力较小, 造成大部分构件的材料性能得不到充分发挥而产生较大浪费, 为此可采用鱼腹式桁架。如上承式桁架, 下弦设计成鱼腹式, 如图3所示;对于下承式桁架, 上弦设计成反鱼腹式, 如图4所示。这样的处理方式, 可使每个构件的刚度、强度均得到充分利用, 同时减轻桁架自重节省钢材, 能够较好地控制桁架的绝对变形值。同时, 可使栈桥在外观上不再单调, 显得美观大方。

图3 上承式桁架鱼腹式简图   下载原图

图4 下承式桁架反鱼腹式简图   下载原图

粮食输送设备宽度通常为0.8~1.2 m, 人行检修主通道1.0 m, 副通道为0.7~0.8 m, 故设备输送栈桥宽度通常为2.5~3.0 m, 而无设备布置的人行通道通常宽度为2.0 m。

钢桁架栈桥的每平方米用钢量与粮食输送设备运行荷载、栈桥面的宽度、跨度及桁架的结构形式等有关。通常, 一条产量为600 t/h及以下的皮带机, 其栈桥宽度为3 m时, 每平方米的用钢量约为120~160 kg。

由于钢结构具有显著的热胀冷缩性能, 在年温差较大或日温差较大时, 将导致钢结构栈桥在跨度方向出现较大的位移。同时, 钢栈桥支座的两端建筑 (构筑) 物在使用过程中可能产生不均匀沉降。为适应钢结构热胀冷缩显著的特性及支座不均匀沉降的情况, 钢栈桥的支座通常需设计成一端为固定端, 一端为滑动端, 滑动支座处, 栈桥支座底板开设50~100 mm的长椭圆孔, 以适应上述原因造成的微量变形。在立面上有倾斜的栈桥, 下端支座设为固定端, 而在栈桥的上端支座设置滑动支座, 以适应栈桥在重力荷载作用下的结构稳定及适量的变形协调。

栈桥的滑动支座设计也值得注意。早期设计时, 是在栈桥支座的底板和下部连接钢板之间涂抹润滑脂 (俗称黄油) , 以降低支座接触面的摩擦系数。但由于润滑脂裸露在空气中, 长期遭受外部环境 (阳光、遇水、粉尘以及其他有害气体) 的影响, 将发生化学和物理反应而变质, 有效使用寿命较短, 从而需每3~5 a便维修更换润滑脂。但维修更换成本较高, 且作业难度大。所以, 在近期钢栈桥设计过程中, 通常采用摩擦系数小且性能可靠的聚四氟乙烯板来解决滑动问题。每个滑动支座处设置两块聚四氟乙烯板, 如图5所示, 上板开设长椭圆孔, 开孔位置在栈桥支座底板, 下板开设普通螺栓孔, 如遇不均匀沉降时, 栈桥支座便可在两块聚四氟乙烯板之间滑动, 减少钢栈桥因位移而产生的附加内力[2]。

图5 滑动支座处聚四氟乙烯板详图   下载原图

钢栈桥由于通常工作在露天环境中, 在阳光、风沙、雨雪、粉尘以及部分地区面临海洋大气等环境下, 都将导致钢结构的腐蚀。为此, 钢结构的防腐蚀设计亦是结构设计的重点。钢结构防腐蚀涂装一般采用刷漆或镀锌处理。但镀锌成本较高, 刷漆相对较为经济。涂漆的合理使用寿命为5~15 a, 即在后期使用过程中必然面临维修养护的问题。为此, 钢结构栈桥的构件类型选用时, 应多加注意。尤其是南方沿海地区, 防腐蚀的维修问题更为突出。建设单位往往提出减少刷漆或降低后期刷漆的难度和成本。背对背连接的角钢或槽钢由于其拼缝中涂漆困难、不易涂漆完整, 不建议采用, 而采用热轧无缝钢管或其他实腹型钢更便于后期的涂装维修。

对于两端支座为简支的栈桥, 一般其桁架两端腹杆轴力较大而中间段轴力较小, 从经济性考虑构件的截面选用时宜有所区分。但同一榀桁架腹杆的构件截面种类不易超过3种, 且各型号的构件截面尺寸宜有明显区分, 易于判别型号规格, 不致现场作业工人混淆。

长距离的输送栈桥需单独设置栈桥支架, 支架承受栈桥传来的竖向和纵、横向水平荷载。支架可采用钢结构支架或混凝土支架, 但考虑到建设成本和施工工期, 而较多采用钢结构支架。支架设计中的关键问题是风荷载作用下的抗倾覆及支架顶部位移控制。由于支架自重轻、承担的竖向荷载小, 对风荷载作用下的横向水平力较为敏感。尤其是支架高度超过20 m, 风荷载大于0.5 k N/m2的情况, 对上述两个问题要采取好相应措施。

支架一般与顶部栈桥同宽, 但当栈桥宽度仅为3 m左右, 且支架高度超过20 m时, 支架宜设计成下宽上窄的结构形式, 如支架顶部宽度为3 m, 底部宽度为6 m。这种形式可增大下部基础的抗倾覆能力, 同时加大支架自身的抗侧移刚度, 减小风荷载作用下支架顶部绝对位移。

增大基础抗拔承载能力设计时采取的措施有:考虑支架下部桩基的抗拔承载力、加大承台的面积, 以及加大基础的埋置深度。

钢结构栈桥设计过程中应根据项目的具体情况以及工艺设计要求、建设单位意见、当地气候环境等方面综合考虑, 选择合理的结构设计方案、桁架结构类型、构件截面等, 使栈桥具备可靠的设计强度、刚度、稳定性以及满足构造设计等方面的要求, 同时考虑钢结构施工的标准, 外形美观、经济等。