鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站設(shè)計要點及注意事項

鄭翔,沈建東

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司,武漢 430071)

鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站設(shè)計要點及注意事項

鄭翔,沈建東

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司,武漢 430071)

鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站是現(xiàn)代工業(yè)運輸領(lǐng)域的常見結(jié)構(gòu)形式。論文通過對轉(zhuǎn)運站常見機構(gòu)及特點的介紹和分析，提出了鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站的設(shè)計要點及注意事項，對鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站的設(shè)計具有一定的借鑒意義。

鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站；設(shè)計要點；注意事項

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.002

1 引言

轉(zhuǎn)運站是設(shè)在2臺或多臺高架固定式帶式輸送機之間的中轉(zhuǎn)站，隨著我國經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，轉(zhuǎn)運站在工業(yè)運輸系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用。轉(zhuǎn)運站根據(jù)結(jié)構(gòu)材料可分為鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等，鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站因為建設(shè)方便、可塑性強，所以，在工業(yè)運輸領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。但是，轉(zhuǎn)運站的長、大型帶式輸送機具有非常大的電機功率，在運行中會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)動慣量,特別在電機啟動和制動時會有很大的水平張力，這種張力因為作用位置高且力量不平衡。所以，容易將引力集中施加在轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)上部及中部，導致低頻振動的產(chǎn)生，最后引起結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，從結(jié)構(gòu)形式和受力性質(zhì)上來說，這樣的影響對轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)要比一般結(jié)構(gòu)嚴重得多。本文針對這一問題，對鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站的設(shè)計要點和注意事項進行分析。

2 轉(zhuǎn)運站的常見類型及結(jié)構(gòu)特點

轉(zhuǎn)運站由于主要做工業(yè)運輸用，常見的設(shè)計為敞開式框架結(jié)構(gòu),高寬比較大，設(shè)備層設(shè)置樓板，其他樓層一般不設(shè)置樓板,從結(jié)構(gòu)上來說屬典型高聳柔性結(jié)構(gòu)[1]。

2.1 轉(zhuǎn)運站的分類

鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站作為高架固定帶式輸送機的配套設(shè)施,根據(jù)不同的區(qū)分原則可以分為以下幾種：(l)按結(jié)構(gòu)平面形狀,分為4柱、6柱和9柱轉(zhuǎn)運站；(2)按轉(zhuǎn)載層數(shù)的情況,分為2層轉(zhuǎn)載轉(zhuǎn)運站和同層轉(zhuǎn)載轉(zhuǎn)運站；(3)按輸送機對物料的轉(zhuǎn)載方向,分為直角和斜交轉(zhuǎn)運站；(4)按轉(zhuǎn)運站的高度,可劃分為多層轉(zhuǎn)運站和高層轉(zhuǎn)運站。工業(yè)使用較多的轉(zhuǎn)運站層數(shù)一般為3～10層,高度≤50m。

本文研究以某碼頭五期轉(zhuǎn)運站為例，其帶式輸送機最大運量Q=1700t/h，最大帶寬B=1000mm，最大帶速v=4m/s，最大

單機最長L=5450m，單機最大功率P=1020kW，該轉(zhuǎn)運站長寬高為15m×6.5m×30m，共3層，帶式輸送機雙進雙出，如圖1所示。

圖1 某碼頭轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)圖

2.2 鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站的結(jié)構(gòu)特點

一般情況下,為方便運輸物料，將轉(zhuǎn)載設(shè)備放置在轉(zhuǎn)運站的頂部，轉(zhuǎn)運站的最高層設(shè)置輸送裝置，次頂層設(shè)置輸出輸送機機尾，在頂層屋面梁上設(shè)單梁式懸掛起重機以方便機器設(shè)備的吊裝和維修，所以，一般的鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站的頂層較高大(上文的某碼頭轉(zhuǎn)運站的頂層為15m)，物料由輸入輸送機經(jīng)漏斗卸入下一層，為了減小物料的垂直落差，所以，次頂層層高一般設(shè)計較小[2]。

轉(zhuǎn)運站中，振動源比較多而且振動能量較大，對鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站來說，如果振源和轉(zhuǎn)運站產(chǎn)生共振，會嚴重影響轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)安全和設(shè)備的安全穩(wěn)定，所以，必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計上來預(yù)防其產(chǎn)生共振。

3 鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站設(shè)計要點及注意事項

3.1 轉(zhuǎn)運站的梁柱截面設(shè)計要點

鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站的梁柱截面設(shè)計要考慮到物料重量、設(shè)備重量、自身重量等因素，根據(jù)其受力的承載度，通過綜合分析計算進行確定，主要應(yīng)注意以下幾個方面。（1）要依據(jù)轉(zhuǎn)運站層高較高、柱間距和荷載較大的特點，在梁柱截面設(shè)計上采用人字形支撐或十字交叉鋼結(jié)構(gòu)框架作為承重結(jié)構(gòu)來抵抗水平荷載，這樣，才能提高鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站的承載能力。（2）轉(zhuǎn)運站梁柱截面荷載的受力極為復雜，除自重和設(shè)備荷載外，也會受到部分工藝的限制，以上文的轉(zhuǎn)運站為例，其局部需承受上部7條輸送帶張力，并且輸送帶進出使皮帶走向與轉(zhuǎn)運站存在較大夾角，所以，底層需采取抽柱處理，致使鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站的底層結(jié)構(gòu)較為復雜。（3）碼頭處的風力較大，結(jié)構(gòu)扭矩和上部樓層受風力影響，造成受力和位移過大，這會顯著增加轉(zhuǎn)運站梁柱截面的荷載量。普通鋼結(jié)構(gòu)受力能力有限，增大鋼柱斷面會增加建設(shè)成本和工程量，所以，應(yīng)科學選取梁柱截面的面積，注重功能和成本的平衡。

3.2 荷載分析及組合要點

載荷分析及組合是鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站設(shè)計中的重要內(nèi)容。以上文的轉(zhuǎn)運站為例對轉(zhuǎn)運站的載荷進行分析應(yīng)注意以下幾個方面。（1）轉(zhuǎn)運站皮帶機的水平拉力表現(xiàn)為穩(wěn)定工作時的拉力和設(shè)備啟停時的瞬間拉力，瞬間拉力要遠遠大于穩(wěn)定拉力，設(shè)備拉力隨設(shè)備類型、位置、運行狀態(tài)的不同而隨時變化。（2）轉(zhuǎn)運站的設(shè)備與外部設(shè)備共同協(xié)作進行物料的運輸，常見的外部輔助設(shè)備對風速有一定的限制，如果風速超過設(shè)備的限值，設(shè)備會停止運行，這就造成了轉(zhuǎn)運站的內(nèi)部設(shè)備處于空載的狀態(tài)。（3）轉(zhuǎn)運站的設(shè)計應(yīng)根據(jù)所在地區(qū)的震害頻度和烈度，設(shè)計具有相應(yīng)抗震能力的結(jié)構(gòu)[3]。根據(jù)轉(zhuǎn)運站以上受力特點，在進行荷載組合時應(yīng)注意以下幾個方面：一是輸送機產(chǎn)生的水平方向的拉力由其工作時的拉力情況決定，同時由于瞬間拉力的發(fā)生概率較小，應(yīng)將其考慮為偶然載荷，將穩(wěn)定拉力考慮為可變載荷；二是如果轉(zhuǎn)運站內(nèi)部設(shè)計多條輸送線路，則應(yīng)根據(jù)不同輸送線路的水平和豎向載荷大小，考慮不同的載荷組合；三是如果基本風壓所對應(yīng)的風速大于設(shè)備工作時的風速上限，那么，設(shè)備荷載不應(yīng)與基本風壓下的風荷載進行組合。

3.3 振動荷載的分析與控制要點

在目前的港口建設(shè)中，一般將振動篩、破碎機等置于轉(zhuǎn)運站樓層上，加上轉(zhuǎn)運站自身的振動源，轉(zhuǎn)運站的振動問題就成為設(shè)計中需要重點考慮的問題。振動篩、破碎機及皮帶機會產(chǎn)生不同的交變荷載，如果振動的頻率相近或者相同，轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)會發(fā)生共振。共振效應(yīng)會隨著振動的能量加強而不斷加強，最終不僅會危害轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)和設(shè)備，也會影響工作人員的身心健康。

在轉(zhuǎn)運站振動荷載作用下，轉(zhuǎn)運站會出現(xiàn)振幅及加速度等響應(yīng)，這些響應(yīng)與震源、結(jié)構(gòu)類型、阻尼等有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)有的研究資料表明，只承擔一個方向的設(shè)備載荷（水平或垂直）的鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)阻尼較大，振動所產(chǎn)生的效應(yīng)對結(jié)構(gòu)一般

不會產(chǎn)生危害，但當轉(zhuǎn)運站設(shè)置有振動篩、破碎機等振源時，由于其產(chǎn)生較大的交變荷載，所以必須考慮抗振設(shè)計。

振動的影響主要反映在結(jié)構(gòu)強度、變形及人的舒適性，主要指標為振幅及加速度。多層轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)設(shè)計可根據(jù)頻率及暴露時間，采取控制加速度為主、限制振幅為輔的設(shè)計模式，同時應(yīng)注意：因多層轉(zhuǎn)運站水平自振頻率的本振頻率大都在1.5～4.5Hz，而振源設(shè)備的轉(zhuǎn)速較高（10Hz以上）。所以，轉(zhuǎn)運站因水平振動出現(xiàn)共振的可能性較小，對轉(zhuǎn)運站的危害不大；對于轉(zhuǎn)速較低的振動設(shè)備來說，轉(zhuǎn)運站容易出現(xiàn)低頻共振，危害性較大，在設(shè)計中必須謹慎對待[4]。

3.4 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

科學的建筑體型設(shè)計是加強抗震能力的有效措施。研究表明，簡單、對稱的建筑，其抗震能力較強，相反，結(jié)構(gòu)復雜的建筑抗震能力較弱。這是因為這樣的結(jié)構(gòu)能較準確估計其地震時的反應(yīng)，并且采取簡單的抗震構(gòu)造既能達到較好地抗震效果。轉(zhuǎn)運站層高變化較大，加上樓層功能差異較大、設(shè)備集中布置等因素，容易因為水平和豎向抗側(cè)力不均勻而產(chǎn)生扭矩的不規(guī)則效應(yīng)。因此，應(yīng)該加強抗側(cè)力體系的設(shè)計，主要應(yīng)遵循以下原則：一是轉(zhuǎn)運站樓面開孔應(yīng)合理分布，設(shè)備吊裝孔不但應(yīng)滿足工藝要求，而且要盡量與設(shè)備安裝孔錯開布置；二是樓層的設(shè)計應(yīng)盡量減少平面凸角尺寸；三是當局部樓層較高時，應(yīng)通過增設(shè)結(jié)構(gòu)層提升抗震能力。

3.5 埋件的設(shè)計要點

鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站中，設(shè)備荷載通過埋件傳遞給承重構(gòu)件，埋件一旦破壞，皮帶機機頭和機尾設(shè)備容易出現(xiàn)離心現(xiàn)象，所以，埋件的設(shè)計是轉(zhuǎn)運站的設(shè)計重點。正常情況下的埋件主要受拉、剪荷載作用，所以，應(yīng)綜合考慮埋件的抗震設(shè)計、疲勞驗算等問題，合理地確定埋件的設(shè)計荷載和組合工況。首先，當設(shè)備安裝調(diào)試完成進入生產(chǎn)運營階段時，當設(shè)備未啟動時傳動設(shè)備傳遞給埋件的荷載最??；設(shè)備啟動特別是故障停車后滿載啟動時，輸送設(shè)備傳遞給埋件的荷載最大，然后逐步降低至穩(wěn)定荷載。所以，埋件設(shè)計應(yīng)包括埋件所受載荷的強度計算，埋件的抗震驗算和疲勞驗算等。設(shè)備啟動時可不考慮地震作用，但需考慮地震作用時，埋件錨筋截面積應(yīng)增大25%以上，錨筋的錨固長度應(yīng)增加10%且增大錨板厚度。實際使用中，埋件質(zhì)量不合格是轉(zhuǎn)運站發(fā)生事故的重要因素，為此，應(yīng)將埋件在施工前進行送檢并逐項驗收[5]。

4 結(jié)語

本文首先介紹了鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站的常見結(jié)構(gòu)及特點，然后以某碼頭的鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站為例，介紹了鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站設(shè)計要點及注意事項，對鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站的設(shè)計具有一定的參考意義，相信隨著科技的進步和技術(shù)的完善，鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)運站的設(shè)計會越來越成熟和規(guī)范。

【1】閆春生,薛建陽,王林科.轉(zhuǎn)運站結(jié)構(gòu)的動力分析與振動控制[J].工程建設(shè),2009，41（1）：6-9.

【2】牟廣興.轉(zhuǎn)運站的荷載取值問題探討[J].礦業(yè)工程，2008（4）：51-53.

【3】GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

【4】付征耀，羅福盛.膠帶機通廊系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].鋼鐵技術(shù),2008（1）：37-42.

【5】牟廣興.轉(zhuǎn)運站的荷載取值問題探討[J].礦業(yè)工程,2008，6（2）:51 -53.

表2 屋蓋結(jié)構(gòu)工程量統(tǒng)計表

5 結(jié)語

本文闡述了常用的大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)形式在本文所研究工程中的適用性，并從安全性和經(jīng)濟性兩方面對比了鋼筋混凝土井字梁和實腹鋼梁兩種結(jié)構(gòu)方案。得出的主要結(jié)論如下：

1)對于本工程中的屋蓋，實腹鋼梁結(jié)構(gòu)的自重明顯小于鋼筋混凝土井字梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的撓度也明顯小于后者，并且可以獲得更高的樓層凈空高度。

2)采用實腹鋼梁方案時，屋蓋部分工程造價要高于鋼筋混凝土井字梁方案，但考慮到屋蓋部分重量對結(jié)構(gòu)其他部分以及基礎(chǔ)的影響，兩種方案綜合經(jīng)濟指標相差不多。

3)本工程最終選用實腹鋼梁的屋蓋結(jié)構(gòu)方案。

【參考文獻】

【1】GB50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

【2】程文瀼，顏德姮，王鐵成.混凝土結(jié)構(gòu)（第四版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

【3】JGJ 7—2010空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

【4】GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

【5】GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

【收稿日期】2016-04-13

RTS Steel Design Points for Attention

ZHENGXiang,SHENJian-dong
（CCCCSecondHarborConsultantsCo.Ltd.,Wuhan430071,China）

RTS steel structure isa common form oftransport inthe field ofmodern industry,Based on the RTS common institutions and characteristicsofpresentationandanalysis,theRTSsteeldesignfeaturesandprecautionsforsteelRTSthedesignhasacertainsignificance.

SteelRTS;designelements;notes

TU391;U492.1+42

B

1007-9467（2016）07-0026-03

2016-04-05

鄭翔（1990～），男，江西撫州人，助理工程師，從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計與研究，（電子信箱）whuzhengxiang@qq.com。