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第35卷第20期西建筑 Vol.35No.20 山2009年7月Jul. 2009SHANXI ARCHITECTURE
结构 抗震
文章编号:1009 6825(2009)20 0042 03
钢结构输煤栈桥设计计算和构造措施
张学奇 张 震
摘 要:针对钢结构输煤栈桥设计中遇到的问题,结合PKPM(STS)结构设计软件探讨了电厂钢结构输煤栈桥结构布
置,计算模型的建立,参数取值和计算方法及节点构造,并总结了钢结构输煤栈桥设计中结构布置的基本原则,以指导今后的工程设计。
关键词:钢结构,输煤栈桥,结构布置,计算模型,节点中图分类号:TU318
2004年以来,我们先后完成了25MW,150MW,300MW机组电厂输煤栈桥设计,这些输煤栈桥大部分采用钢结构的形式。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,火电厂越来越多的栈桥采用钢结构形式,本文就钢结构输煤栈桥设计中遇到的一些问题进行了总结,作为今后的工程设计参考。
文献标识码:A
在布置栈桥支柱时,宜尽量调整支柱间距,使多榀桁架跨度相等,减少桁架的规格,以方便金属结构厂加工制作、减少设计工作量。
当输煤栈桥长度超过120m时,应设伸缩缝。
2 支柱的计算分析
我院现有PKPM系列软件,根据现有条件,在用PKPM系列的STS钢结构CAD软件对输煤栈桥进行结构分析计算时,由于栈桥面倾斜,上部结构复杂,对支柱和上部桁架分别建模计算,在进行支柱分析计算时我们在设计上进行了简化,沿栈桥纵、横两个方向分别建立平面杆系模型计算,纵向为两榀平面杆系结构(包括支撑),横向为若干榀框排架(带支撑)结构。
1 结构布置
与大多数建筑物不同,输煤栈桥平面形状呈细长条形,立面上栈桥面倾斜。通常输煤栈桥在低侧设不动铰接支座,承担竖向荷载及纵向地震作用效应,在高侧设滑动支座,承担竖向荷载,保证纵向变位,纵向地震作用效应全部由低侧承担,各支柱承担竖向荷载(见图1,图2)。横向地震作用效应及风荷载由各支柱及支座分别承担,也可在栈桥中部设双柱支柱,支柱之间设支撑,作为纵向抗震结构承担纵向地震作用效应;当输煤栈桥比较长时,
可将上述两种抗震形式结合使用。
2.1 纵向结构体系设计计算及构造
纵向模型如图3所示,取输煤栈桥单侧支柱及桁架建模,把桁架定义为惯性矩很大的梁,即刚性梁,将输煤栈桥桥面以上的恒载、活载的一半布置到各刚性梁上,刚性梁之间及与支柱的节点定义为铰接节点,各支柱上端铰接下端与基础刚接,对于栈桥高侧滑动支座,在计算程序中不能直接定义,可以简化为一个支柱,支柱两端均定义为铰接,支柱刚度无穷大,这样定义的摇摆柱可以承担竖向荷载,但不能承担水平荷载,其受力性能与滑动支座类似,
满足模型计算要求。
在选择支柱截面尺寸时,影响因素包括:强度应力比、平面内稳定应力比、长细比等,输煤栈桥支柱高度相对较高,通常截面尺寸的确定由平面内稳定应力比或长细比控制。
输煤栈桥与相邻建筑物之间应设防震缝,防震缝宽度可参照GB50011 2001建筑抗震设计规范及DL5022 93火力发电厂土建结构设计技术规定的有关规定设置。一般的,当7度~9度时,其宽度分别不宜小于105mm,135mm,180mm,低侧可在栈桥与相邻建筑之间设置支撑防撞,防震缝宽度可适当减小。
收稿日期:2009 03 17
作者简介:张学奇(1964 ),男,高级工程师,一级注册结构工程师,陕西省电力设计院,陕西西安 710054
张 震(1976 ),男,工程师,陕西省电力设计院,陕西西安 710054
支柱平面内稳定性应满足N/( A) f,其中, 为支柱的轴
压杆稳定系数,根据支柱的长细比、钢材屈服强度和GB50017 2003钢结构设计规范表5.1.2 1、表5.1.2 2的截面分类按附录C采用。
根据GB50017 2003钢结构设计规范,柱的容许长细比为150,对有抗震要求的输煤栈桥,支柱容许长细比参照GB50011
235/fy。
2001建筑抗震设计
规范有关规定,当6度~8度时不应大
于柱的长细比 =l0/i,其中,l0为构件对主轴的计算长度;i
为构件截面对主轴的回转半径。
计算长度l0= l,其中, 为柱的计算长度系数;l为柱的高度。
框架分为无支撑纯框架、强支撑框架和弱支撑框架,柱在平面内的计算长度系数 按如下原则确定:
1)无支撑纯框架:当采用一阶弹性分析方法计算内力时,可查GB50017 2003钢结构设计规范附录D表D 2有侧移框架柱的计算长度系数 确定。
2)强支撑框架:支撑结构的侧移刚度(产生单位侧倾角的水平力)Sb满足式(1)的要求时,可按GB50017 2003钢结构设计规范附录D表D 1无侧移框架柱的计算长度系数 确定。
Sb 3(1.2
其中,
h0/tw (25+0.5 )
其中, 为柱两方向长细比的较大值,当 100时,取 =100。
有抗震要求的输煤栈桥,支柱的板件宽厚比还应符合GB50011 2001建筑抗震设计规范表8.3.2 1的要求。如果支柱的板件宽厚比不符合上述规范的要求,可用加劲肋加强。
2.2 横向结构体系设计计算及构造
输煤栈桥横向模型如图4所示,取各榀支柱分别建模,将支柱上部输煤栈桥桥面以上的恒载、活载按杠杆原理分配到支柱上,将风荷载导算到支柱上,在计算风荷载时,由于输煤栈桥结构形式比较特殊,主要承受风荷载部位是栈桥支柱顶部的箱体,即风荷载主要集中作用于结构顶部,栈桥自重相对较轻,栈桥高侧高度较高,因此对风荷载比较敏感,基本风压应适当提高,同时应按GB50009 2001建筑结构荷载规范的规定考虑风压脉动对结构发生顺风向风振的影响,计算风振系数。
Nb- N0)
(1)
Nb, N0分别为所有栈桥支柱用无侧移框架柱
和有侧移框架柱计算长度系数算得的轴压杆稳定承载力之和。3)弱支撑框架:当支撑结构的侧移刚度Sb不满足式(1)的要求时,为弱支撑框架,柱的轴压杆稳定系数 按式(2)计算。
= 0+( 1- 0)Sb/[3(1.2
Nb- N0)]
(2)
其中, 1, 0分别为栈桥支柱用无侧移框架柱和有侧移框架柱计算长度系数算得的轴心压杆稳定系数,长度系数可从 钢结构设计规范 附录D中的表D 1,D 2查得。支柱的长细比按式(3)计算。
= n/ n=
2
=[( 2+ 3 n+ n)-
y(3)(4)
计算过程中,可通过调整横梁截面尺寸及横梁间距控制支柱
长细比,支柱的柱间支撑通常采用中心支撑体系,包括十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形支撑和K形支撑等,宜采用十字交叉支撑,也可采用人字形支撑或单斜杆支撑,不宜采用K形支撑(见图5)。同一榀支柱之间自上而下宜选用一种支撑类型,以使侧向刚度和内力分布不出现突变。
1
2
( 2+ 3nn+ n)-4 n]/2
当式(4)计算出的 n>0.215时,将 代入式(5)中计算 n。
(5)
式(4),式(5)中 1, 2, 3为系数,根据GB50017 2003钢结
构设计规范表5.1.2的截面分类,按附录C表C 5采用。按GB50017 2003钢结构设计规范附录D计算 值时,对于输煤栈桥纵向计算模型,K1=0,K2=10,当输煤栈桥框架为强支撑框架时,由表D 1查得 =0.732,当输煤栈桥框架为无支撑纯框架时,由表D 2查得 =2.03,当输煤栈桥框架为弱支撑框架时, 值介于0.732~2.03之间。
属于无支撑纯框架及弱支撑框架的输煤栈桥框架,在重力和风荷载或多遇地震作用下,如果层间侧移小于1/1000,这时侧移的影响可以忽略,可按无侧移框架柱确定计算长度系数。
对于高度较高,由长细比控制截面的输煤栈桥支柱,可以提高如图3所示双柱及其柱间支撑所组成的抗侧移刚架的刚度,减小支柱的计算长度系数,从而减小柱的长细比,减小柱截面。当计算所需柱截面高度小于1m时,可采用实腹柱,当计算所需柱截面高度大于1m时,宜采用格构柱。
除柱强度及整体稳定需满足要求外,还应保证柱的局部稳定,对于常用的H型钢截面柱,其翼缘板自由外伸宽度b与其厚度t之比应符合:
b/t (10+0.1 )
y。
其中, 为柱两方向长细比的较大值,当 100时,取 =100。
腹板计算高度h0与其厚度tw之比应符合:
在支柱平面内,支撑中心线与梁柱中心线应位于一个平面上,支撑的轴线应交汇于梁柱构件轴线的交点,在构造上确有困难时,偏离中心不应超过支撑杆件的宽度,并应计入由此产生的附加弯矩。支撑的斜杆倾角一般采用35 ~55 。支撑的计算分析需注意平面外长细比,防止超限,对于十字交叉支撑,可按拉杆设计,容易满足长细比要求,较经济。在多遇地震效应组合作用下,支撑所承受的地震作用应乘以增大系数,以避免在大震时出现过大的塑性变形,十字交叉支撑和单斜杆支撑应乘以1.3,人字形支撑应乘以1.5。支撑斜杆宜采用双轴对称截面,对高度较低的栈桥,可采用单轴对称截面(如双角钢组成的T形截面),但应采取防止杆件扭转屈曲的构造措施。
支柱柱脚通常采用外露式刚接柱脚,有抗震要求的柱脚,柱脚与基础连接的极限承载力应满足Mu 1.2MPa的要求,柱脚锚栓不宜用以承受柱脚底部的水平反力,此水平反力由柱脚底板
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第35卷第20期西建筑 Vol.35No.20 山2009年7月Jul. 2009SHANXI ARCHITECTURE
文章编号:1009 6825(2009)20 0044 02
混凝土抗压强度的概率模型
孔宪途 徐人平 王凤武
摘 要:从统计理论角度出发,建立了混凝土抗压强度模型,并用柯尔莫哥洛夫 斯米尔诺夫检验对混凝土试件抗压强
度进行分布拟合检验,试验数据表明,其抗压强度服从正态分布,与相关文献结论相吻合。关键词:混凝土,抗压强度,概率模型,正态分布中图分类号:TU375
文献标识码:A
混凝土是在多种 应力 的作用下,裂缝逐渐扩展、贯通,内部损伤积累到一定程度导致破坏。虽然目前还无法精确地计算出各个 应力 的损伤量,但这并不影响用统计理论对混凝土强度的分析,可以认为混凝土破坏的随机性,是由很多互不相干的各种 应力 作用之和引起的,而每一个随机的 应力 又都不起决定作用。从这个角度上讲,混凝土的抗压强度服从正态分布。现做如下假设:1)各种 应力 的作用在整个试件内是按单位体积为常密度的随机分布;2)这些 应力 互不干扰;3)混凝土是由无数个小单元体组成的, 应力 作用于任意小单元体是随机的。
根据以上分析可知,混凝土是在各种 应力 作用下,内部损伤累积到一定程度导致破坏。假设混凝土是由无数小单元体组成的,每个 应力 是否作用于小单元体是随机的。设破坏模式:小单元体破坏到一定数量时整个物体才发生破坏,即设:
=(1- v) nk,0
(1)
0 引言
混凝土是由水泥、砂、石和水构成的混合物,是非均质、非同
向的多相材料,其组成材料的分布和性质,以及在制备、凝固和使用过程中的各种条件和环境都对强度和变形有不同程度的影响,因而混凝土比其他结构材料具有更复杂、多变的力学性能。由于影响强度的因素很多,所以其抗压强度是一个随机变量,离散性很大。在对混凝土破坏的机理还不甚清楚的情况下,要精确计算其破坏强度十分困难,一个可行的方法就是用统计理论建立其概率模型,并对其试样进行分布拟合检验。
1 混凝土抗压强度模型分析
混凝土的破裂总是从其最薄弱的地方开始。其裂缝在扩展以至形成控制裂缝的过程中,受到诸多因素的影响。这些因素可以统称为 缺陷 或 应力 。这些 缺陷 或 应力 在混凝土中的分布无固定规律而是随机的。从这一概念出发,可以用统计理论研究混凝土的强度。
对于混凝土的破坏,大量的研究结果表明,混凝土的破坏是裂缝产生、闭合、扩展、分叉、聚合和失稳扩展的过程。从控制裂缝形成的角度分析,控制裂缝的产生、扩展以至贯通是多种 应力 或 缺陷 综合作用的结果。从这个角度出发可以用正态模型解释混凝土的抗压强度。
其中, nk为随机变量,是由各个小单元体的强度 1, 2, , n所组成的随机变量,现将 1, 2, , n的现实值(x1,x2, ,xn)中按大小自小到大排列后的第k个数作为函数值; v为相对破坏比的函数,即它和整个物体破坏时已破坏了的单元体总数之比有关。设单元体强度 i均相互独立,并具有同一原始分布F0(X)。物体体积为V,单元体积内的小单元体数为n。于是有:
X
F (X)=p(
1- v
与混凝土基础间的摩擦力承受,摩擦系数可取0.4,当水平反力较大,摩擦力承受不了时应设置抗剪键承受。
近几年多个电厂的输煤栈桥采用钢结构体系,几个电厂已投产运行,取得了良好效果,在设计上我们不断总结、研究、精益求精,并认真听取施工、运行上的意见。以上是我们结合工程实践中的一些总结,就电厂钢结构输煤栈桥结构布置、计算模型的建立、参数取值和计算方法及节点构造等问题作了介绍,也作为我
m=k
n
n!X
[F0()]n-m!(n-m)!1- v
m
(2)
们今后的工程参考。限于笔者水平和篇幅限制,有不当、不周之处敬请业内同行们不吝赐教。
参考文献:
[1] GB50017 2003,钢结构设计规范[S].[2] DL5022 93,火力发电厂土建结构设计技术规定[S].[3] GB50011 2001,建筑抗震设计规范[S].
Designcalculateandconstructionmeasureofsteelstructuretrestlefortransportingcoal
ZHANGXue qi ZHANGZhen
Abstract:Aimingatproblemsthatexistsduringdesigningofsteelstructuretrestlefortransportingcoal,andcombiningPKPM(STS)struc turedesigningsoftware,thepaperdiscussesaboutstructuredistribution,establishmentofcalculatingmode,determinationofparameter,calcu latingmethodsandnode sstructureofsteelstructuretrestlefortransportingcoalinelectricpowerplant.Italsoconcludesbasicrulesforthestructuredistributionduringdesignofsteelstructuretrestlefortransportingcoal,soastoprovidelaterworkwithguidance.Keywords:steelstructure,trestlefortransportingcoal,structuredistribution,calculatingmode,node
收稿日期:2009 03 16
作者简介:孔宪途(1965 ),男,高级工程师,邢台市公路管理处,河北邢台 054000
徐人平(1949 ),男,博士,博士生导师,教授,昆明理工大学,云南昆明 650051
王凤武(1971 ),男,博士,高级工程师,上海临港潮芦港经济发展有限公司,上海 200000