摘要:根据钢结构栈桥设计经验，依据规范，对超长钢结构栈桥在设计中如何选择合理的模型、如何分析各部分内力计算及各部位构造要求等问题提出建议。采用PKPM(STS)和SAP2000进行结构计算，并对其计算结果进行对比，分析计算超长钢结构栈桥计算结果的合理性，为今后的工程设计提供参考。
关键词:钢结构;栈桥;橡胶支座;位移
Abstract: according to the steel structure zhanqiao pier design experience, according to the specification, to the ChangGang structure in the design approach, how to choose reasonable model, how to analyze each part of the internal force calculation and each part of the construction requirements, etc are proposed. Using PKPM (STS) and SAP2000 structure, and calculation of the calculating result is compared, and the analysis and calculation ChangGang calculation results of the approach bridge structure rationality, for future provides reference for the design of the project.
Keywords: steel structure; Zhanqiao pier; Rubber support; displacement
中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：
1 前言：
栈桥一般指形状像桥的构筑物，车站、港口、矿山或工厂，用于装卸货物或上下旅客或专供施工现场交通、机械布置及架空作业用的临时桥式结构。在土木工程中，为运输材料、设备、人员而修建的临时桥梁设施，按采用的材料分为木栈桥和钢栈桥。输煤栈桥是煤矿建设中主要的辅助生产构筑物，这些输煤栈桥大部分采用钢结构形式。钢结构具有材料强度高、质量轻等特点，适用于大跨度结构；大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件，在工地拼装，施工周期短。由于以上两个特点，煤矿建设中越来越多地采用钢结构栈桥。目前国内大跨度输煤栈桥结构形式一般采用钢桁架结构，这种结构有成熟的应用经验。本工程采用钢结构平行弦栈桥。如图1所示。
图1116米跨钢结构栈桥
在栈桥设计之前应先行了解工艺布置简图及所需结构形式。在常规设计中，桁架主要有平行弦式和下撑式2种结构形式。平行弦桁架的支座位于下弦两端节点，故在其高度范围内，桁架可用于围护结构的侧墙骨架；当采用平行弦桁架时，为保证结构的整体稳定，一般应在两端设门形刚架，在桁架的上弦和下弦处，宜通长设置桁架间纵向水平支撑，同时设置横向垂直支撑。而下撑式桁架的支座位于上弦端节点，由于其自重对结构稳定有利，故在桁架之间，沿全长设置上下弦纵向水平支撑，同时设置横向垂直支撑即可；下撑式桁架的结构形状，更接近构件的弯距包络图，受力更合理。综合考虑2种桁架形式，因本工程采用露天栈桥，不需侧向围护，但考虑到桁架跨越河道，应满足桁架下弦底面至河面最高水位净高要求，故采用平行弦桁架结构形式。同时，由于净高的要求，造成栈桥下侧支柱较长，很难满足强度要求，故将此桁架两端支座做成三角形桁架式。此时，既可以满足下侧支柱强度要求，又有利于桁架计算跨度的减小。
2 桁架结构设计
本工程是跨越河流的一段输煤栈桥，为露天式栈桥，跨度116米，矢高9米，桥面宽度8米，坡度为0度。桁架主体构件有上弦钢梁、下弦钢梁、上下弦之间的腹杆、桥体两端的框口柱、框口梁、桥面及顶面的钢梁及水平支撑、两榀桁架之间的垂直支撑。桥面满铺花纹钢板，管状皮带支腿间距为18m，支承于楼面钢梁之上。桁架上下弦钢梁及框口柱、框口梁均为焊接H型钢。腹杆中的竖杆采用国标H型钢，斜杆采用等肢双角钢。栈桥楼面恒载即为花纹钢板自重、其下的加劲肋自重、楼面水平支撑自重、楼面钢梁自重及管状皮带支脚传来的荷载。栈桥楼面活载即为检修荷载，取为2kN/m2。屋面恒载包括屋面水平支撑自重、屋面钢梁自重；由于本工程栈桥不封闭，故屋面活载可不考虑。该地区基本风压为0.45kN/m2(n=50，B类场地)；基本雪压0.40kN/m2(n=50)；抗震设防烈度为6度；设计基本地震加速度为0.05g；设计地震分组为第二组。建筑场地类别为Ⅱ类。
3 计算模型
3.1 平面模型
桁架计算一般可将空间体系转换为平面体系进行计算，栈桥侧向两个单榀桁架承受由屋面和楼面传来的竖向荷载。栈桥两端支座处由两个平面刚架承受两个侧面垂直桁架传来的垂直和水平荷载。在PKPM(STS)中，取输煤栈桥单侧桁架建模。建模类型选择桁架，将栈桥楼面及屋面恒载及活载的一半布置到桁架上下弦的节点处，桁架左侧为固定铰支座，右侧为滑动支座。如图2所示。
图2平面计算模型
3.2 空间计算
将端柱与其上下相连的横梁刚接，形成封闭刚架，上下弦杆与端柱形成平面框架，弦杆在节点处为连续的刚接节点，竖向腹杆因采用国标H型钢，根据《钢结构设计规范》GB50017-2003中第8.4.5条规定应考虑节点刚性所引起的次弯矩，故采取与上下弦刚性连接的方式，其它腹杆与弦杆采用铰接连接，如图3所示。
图3空间计算模型
4 计算结果及分析
4.1 结构动力特性分析
结构自振特性是结构固有动力指标，是自由振动时结构周期、频率及振型。自振周期主要取决于结构的组成体系、质量、刚度、质量分布以及支撑条件等，同时自振特性也是进行动力分析的基础。结构动力分析中最基本的问题是计算自振频率和振型以及阻尼。由于阻尼对结构自振特性的影响很小，因此在求结构的自振频率和振型时，通常忽略阻尼的影响。结构固有频率和振型采用模态分析确定。
SAP2000软件提供两种方法进行模态分析，特征向量法和Ritz向量法。目前SAP2000程序常使用相对稳定的子空间迭代法进行特征向量分析。本工程即采用这种方法对空间桁架计算模型进行模态分析。
结构的固有频率先出现在刚度较小的方向和部位，对本工程的钢栈桥来说，竖向刚度较弱，所以一阶振型为Z向的平动振型，即在竖向面内发生平动位移。水平振型出现在第二阶，说明竖向及水平向刚度基本均匀，刚度布置较为合理。第一振型周期为T1=5.48755；第二振型周期为T2=5.34041；第三振型周期为T3=2.74702。
4.2 位移计算
恒载与活载作用下的节点位移相差不大，由于整体计算考虑变形协调，所以SAP2000计算的位移值略小。
表1 恒载标准值+活载标准值的部分节点位移(STS/SAP2000)
考虑到结构跨度较大，应预先起拱。栈桥桁架受活载影响较小，故以恒载产生的竖向位移为准对桁架进行反向起拱。
4.3 应力比计算
下弦计算部分杆件应力比值，如表2所示。
表2 部分杆件应力比
同样的杆件型号，SAP2000应力比计算结果均比STS的结果小，表明STS计算确定的杆件尺寸有一定余度。
4.4 支座的处理
由于本工程桁架很长，在恒载及活载作用下产生的水平位移已经非常大，再则受温度荷载的影响不容忽视，综合上述各种工况，在右侧支座端部产生的位移可达240mm。普通的辊轴支座处理大位移较为不合理，故选用桥梁专业上普遍使用的橡胶支座，取得了良好的使用效果。
4.5 侧向水平荷载的探讨
本工程由于栈桥不封闭，仅有钢桁架骨架。但由于长度超长，水平风荷载及地震作用对其影响不能忽略。风荷载可根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001中表7.3.1的第32项确定桁架的体型系数。而后可采用虚面的方法进行风荷载的施加。
地震作用直接在SAP2000中采用振型分解反应谱法进行计算。
4.6 基础设计的探讨
本工程栈桥共有4个支腿，左侧两个支腿采用固定铰支座，右侧两个支座采用滑动铰支座。每个支座下侧采用承台桩基础结构形式。由于在水平荷载的作用下，栈桥支座下侧将产生方向相反的X向及Y向水平剪力。故在设计桩基础时不宜将栈桥某一侧两支座的承台做成整体，因此时桩所受的水平剪力将不清晰。宜将各支座承台分别进行设计，使其受力更加合理。
5 结论
对于钢结构超长栈桥的平面计算，由于结构体系拆分较多，计算简图之间的变形协调关系难于准确把握，容易导致构件设计偏于保守。
采用SAP2000进行空间计算分析，与传统平面设计方法相比，力学概念明确，从整体分析空间受力情况，计算结果更为合理准确，不易出错。且可以考虑多种工况的组合，更容易把握结构特性。但应注意对分析结果进行判断，避免由于不恰当的简化导致错误的结果。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。