摘 要： 目前，在栈桥与灯笼架方案设计中，由于各个构件中钢材的选择未存在一个合理的参照，因此钢材的承载能力无法得到合理地利用，致使整体用钢的数量出现过大的现象，使工程的造价过高，给施工企业带来过多的负担，不利于施工企业经济效益的提高，也不符合企业财富最大化的目标，所以在选型的时候，必须对其进行优化处理，在保证工程质量的前提下，尽可能地减少用钢的总量，降低施工企业的成本，实现企业财富的最大化，本文结合实际情况探讨如何优化输煤栈桥的结构形式。
关键词： 输煤栈桥； 结构形式； 优化措施
中图分类号： TK284 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）01-0060-01
1 前言
在选择大跨钢桁架结构时，输煤栈桥通常会设计成大跨的形状，这是基于布置上的需要，或者基于栈桥面高度的需要。在立柱时，可以选择灯笼架方案，灯笼架方案不仅可以使输煤栈桥的跨度大大地减少，而且其连接于钢桁架梁时，具备抗震性能好、自重轻等多种优点，此外，灯笼架方案的结构还十分的稳定，可以用在大跨度输煤栈桥方面，且取得满意的效果。尤其是在一些地质条件比较恶劣、施工环境比较差的情况下，选择大跨钢桁架结构更能凸显出施工周期短及自重轻等多种优点。
虽然目前的栈桥与灯笼架方案具有多种优点，但是由于各个构件中钢材的选择未存在一个合理的参照，因此钢材的承载能力无法得到合理地利用，致使整体用钢的数量出现过大的现象，使工程的造价过高，给施工企业带来过多的负担，所以在选型的时候，必须对其进行优化处理，在保证工程质量的前提下，尽可能地减少用钢的总量，降低施工企业的成本，实现企业财富的最大化[1]。
2 优化措施
在回转半径及承载能力方面，H型钢与工字钢的性能比较好，因此通常选择H型钢或者工字钢对灯笼架与输煤栈桥各种构件的截面参数实施优化处理。与ANSYS优化处理器相比，H型钢或者工字钢所能优化的变量个数明显的增加了许多，甚至可以超过60个优化变量。优化计算所涉及的搜索空间，其维数与优化变量的个数有着密切的关系，即优化变量的个数越多，其维数就越大，当维数增大到一定的范围时，往往出现局部最优解的困境，给全局最优解的寻找工作带来非常大的麻烦，所以在实施优化处理时，应科学、合理地选择优化参数，尽可能地减少或者避免优化变量个数对灯笼架与输煤栈桥的造成的不良影响[2]。
在实施优化处理过程中，必须对灯笼架实施分层次处理（如图1），并制定出科学、合理地优化变量个数，尽可能地减少优化变量的个数，对于工字钢，我们可以选择等截面的实心圆钢来代替。在保持结构整体承载能力不变的基础上，将目标函数锁定在结构总体积上，并实施优化计算，在目标函数范围内尽可能地减少钢的总数量，这样的优化处理才有可能取得满意的效果[3]。
2.1分层次选型
灯笼架与输煤栈桥的整体结构通常比较复杂，各个部分之间的构造极其受力出现较大的差别，因此在选择钢材型号时，应结合实际情况，选择不同的钢材型号。对于同类构件，由于其承载模式相等或者相近，因此在部分范围内应尽可能地选择相同或者相近的钢材型号，这样不仅达到美观结构的目的，而且符合工程的实际情况，促进工程的顺利进展。在减少用钢型号方面，可以选择分层次选型的方式，确定钢材型号优化变量的个数，在与具体的施工情况相符合的基础上，考虑灯笼架各个部分之间的承载模式与结构形式存在不同的现象，因此可以将灯笼架整体分为四个部分，四个部分中的横梁、斜杆以及立柱等均应选择不同的截面半径，以此作为优化变量[4]。
2.2截面的替换
在灯笼架的优化处理方案中，各构件受到轴向载荷的压迫，因此其桁架受力比较明显。
在面积相等的圆截面钢及工字截面的优化处理方案中，我们可以从栈桥静力学的计算结果看出，两种截面的优化处理方案由于面积相等，其受力情况出现相似的现象。相比之下，变化超过50%的只有14.1%的构件轴力，证实在实施截面积优化处理及受力分析过程中，对于工字钢，我们可以选择圆截面钢来代替[5]。所以为了尽可能地减少优化变量的个数，在保持各个构件具有相同截面积的基础上，在优化处理的相关计算中，对于工字截面，可以选择一个半径参数的圆形截面来代替，在实施优化处理之后，可以得出各个构件的最佳半径，进而可以使用截面积相等或者相近的型钢。为了得到更好的优化处理结果，可以在确定各个构件所具备的钢材型号的前提下实施相关的校核计算，提高优化处理结果的可靠性。
2.3优化计算
在优化处理过程中，主要的状态变量通常为跨中最大应力及最大变形，目标变量通常为总重量或者总体积，同时我们可以将结构方案中所涉及的静力分析过程纳入批处理程序，方便于优化处理器的调用。此外，在优化处理过程中，对于最大应力，可以适当地放宽其上限，减少或者避免特殊构建对优化结果造成的不良影响。
通过一系列的比较、分析后，在多种截面组合方案中，选择总用钢量及应力皆比较小的一组截面组合方案作为优化处理的结果。在ANSYS初步优化处理的结果中，通过对其进行相关的静力分析，我们可以看出当加粗的构件超出最大极限的应力，其属于危险构件，因此必须进行相应的优化变量处理，对此可以对这些较粗的、应力较大的构件实施相关的截面调整。在实施截面调整及相关的静力分析后，在栈桥顶部，应明确危险构件的半径B2等于7cm，高应力梁的半径B1等于8cm。在明确灯笼架中诸多构件的截面积、明确栈桥结构中诸多构件的截面积后，在对钢材进行选择时，可以选择对型钢表进行查询的办法，在查询中选择截面积相同或者相近的钢材。在最终的设计方案中可以选择12种截面积相同或者相近的钢材，灯笼架与单侧栈桥用钢总量大约为100.8吨。
3 结语
灯笼架方案不仅可以使输煤栈桥的跨度大大地减少，而且其连接于钢桁架梁时， 具备抗震性能好、自重轻等多种优点，此外，灯笼架方案的结构还十分的稳定，可以用在大跨度输煤栈桥方面，且取得满意的效果。但是在目前的栈桥与灯笼架方案设计中，由于各个构件中钢材的选择未存在一个合理的参照， 因此钢材的承载能力无法得到合理地利用，致使整体用钢的数量出现过大的现象，使工程的造价过高，给施工企业带来过多的负担，所以在选型的时候，必须对其进行优化处理，在保证工程质量的前提下，尽可能地减少用钢的总量， 降低施工企业的成本，实现企业财富的最大化。
参考文献：
[1] 欧添雁，邢泰高，徐金锋.运煤栈桥结构抗震设计探讨[J].煤炭工程，2011（09）.
[2] 苏阳，范洁.输煤栈桥结构形式优化分析[J].河北电力技术，2010（01）.
[3] 祝黎，冯震坤.某钢结构输煤栈桥的空间计算[J].武汉大学学报（工学版）， 2010（S1）.
[4] 张学奇，张震.钢结构输煤栈桥设计计算和构造措施[J].山西建筑，2009（20）.
[5] 杨雪，雷宏刚.栈桥结构体系及选型探讨[J].科学之友（B版），2009（05）.