鳥嘴節(jié)點桁架在水泥廠封閉皮帶輸送棧橋中的應(yīng)用研究

白天衡，曹勇，程雅蒙，朱金山[中國中材國際工程股份有限公司(南京),江蘇南京211100]

來源：《水泥工程》

0前言

輸送棧橋作為水泥生產(chǎn)線必不可少的組成部分，在整個水泥生產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，主要用于輸送原材料、燃料、熟料以及水泥，為整個生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運行提供了重要保證。目前在水泥生產(chǎn)線中輸送廊道桁架上、下弦主要采用H型鋼、圓管或角鋼，考慮到型鋼和角鋼結(jié)構(gòu)棧橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計、現(xiàn)場焊接技術(shù)以及施工方案等都較為成熟，已形成了一個相對完整的體系，通過設(shè)計和施工方法上的突破來達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化、美觀化的可能性較小。但由于水泥廠項目的輸送總長度能達(dá)到數(shù)公里，部分甚至能達(dá)到十幾公里，用鋼量十分可觀，為突破行業(yè)發(fā)展，提高市場競爭能力，研究采用鳥嘴節(jié)點的新型棧橋結(jié)構(gòu)形式，具有創(chuàng)新性和現(xiàn)實意義。

1鳥嘴式節(jié)點介紹

鳥嘴式節(jié)點作為一種新型方鋼管相貫節(jié)點，如圖1(a)所示，在傳統(tǒng)正放式方鋼管節(jié)點的基礎(chǔ)上，將桿件沿自身軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)后，其形狀便酷似鳥嘴，

鳥嘴式節(jié)點因此而得名。根據(jù)桿件的旋轉(zhuǎn)方式不同，鳥嘴式節(jié)點可細(xì)化分為方型鳥嘴式節(jié)點[圖1b)]和鉆石型鳥嘴式節(jié)點[圖1(c)]。在輸送棧橋中，

鋼桁架上弦、下弦桿件可作為鳥嘴式節(jié)點主管，豎腹桿、斜腹桿可作為鳥嘴式節(jié)點支管，方型鳥嘴式節(jié)點僅主管沿自身軸線旋轉(zhuǎn)，而鉆石型鳥嘴式節(jié)點則是主管和支管均沿自身軸線旋轉(zhuǎn)。

/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/e8661bac335.png2鳥嘴節(jié)點桁架設(shè)計分析

2.1鳥嘴節(jié)點力學(xué)性能分析

建立圖2有限元模型，對比圓管節(jié)點和方管節(jié)點的力學(xué)性能。

/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/a77bc3a2492.png/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/d7bdfda0447.png根據(jù)表1數(shù)值對兩種類型圓管和方管進(jìn)行加載，得出圖3所示結(jié)果：方管節(jié)點極限承載力：153 kN;圓管節(jié)點極限承載力：124kN;方管節(jié)點剛度：31kN/mm;圓管節(jié)點剛度：28kN/mm。在荷載位移相等的情況下，方管節(jié)點承載力、剛度比同等重量的圓管節(jié)點分別提升23.4%和10.7%。由此可見，方管節(jié)點的承載力、剛度均明顯優(yōu)于圓管節(jié)點。/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/42dde929926.png

同時，從圖4和圖5彈性狀態(tài)和極限狀態(tài)的應(yīng)力分布來看，采用方管的主管管壁應(yīng)力小于采用圓管的主管管壁應(yīng)力，但同時應(yīng)注意方管節(jié)點的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。從圖6破壞模式來看，節(jié)點的破壞主要表現(xiàn)為支主管連接區(qū)域的主管管壁的面外變形，因此，節(jié)點的剛度、承載力很大程度上取決于該區(qū)域主管的管壁抗彎剛度。

/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/e23fff81513.png/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/93808bf0371.png綜上可以得出，從承載力、剛度、應(yīng)力分布及變形等各項力學(xué)性能指標(biāo)來看，在節(jié)點同等重量的情況下，方管節(jié)點的力學(xué)性能明顯優(yōu)于圓管節(jié)點。

2.2鳥嘴節(jié)點桁架軸向剛度分析

以18 m標(biāo)準(zhǔn)跨度鋼桁架為例，根據(jù)等截面積代換原理，將型鋼節(jié)點替換成方型鳥嘴式節(jié)點，弦桿構(gòu)件底部固接，腹桿端部施加軸向位移荷載，計算對比分析兩種T型節(jié)點軸向剛度。

從圖7計算結(jié)果所得的節(jié)點荷載位移曲線可以看出，在截面相等的情況下，鳥嘴節(jié)點的軸向剛度明顯要比型鋼節(jié)點的軸向剛度大，此例中，型鋼節(jié)點的軸向剛度為2167 kN/mm,而鳥嘴節(jié)點的軸向剛度為2344 kN/mm,相比之下，剛度提高了8%。

/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/2fec7636610.png2.3鳥嘴節(jié)點桁架與型鋼桁架平面計算對比分析

型鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計，將整個桁架結(jié)構(gòu)考慮成鉸接模型進(jìn)行計算，該模型無法考慮節(jié)點的軸向剛度，也無法體現(xiàn)出鳥嘴節(jié)點在剛度上的優(yōu)勢。如圖8所示，按前文所述計算假定，采用桿件端部施加彈簧連接的方式體現(xiàn)節(jié)點的軸向剛度，彈簧沿桿件方向的剛度取節(jié)點的軸向剛度。同時，型鋼桁架結(jié)構(gòu)中外部壓型鋼板與桁架通過檁條相連接，壓型鋼板在桁架受力方面并沒有做出貢獻(xiàn)。在鳥嘴節(jié)點桁架中，由于腹桿是方管截面，可以保證腹桿截面在同一水平面，將壓型鋼板與腹桿直接連接，可以有效發(fā)揮鋼板的蒙皮效應(yīng)，提升整個桁架的承載能力。

/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/21f89906488.png經(jīng)過計算，通過表2型鋼桁架平面內(nèi)計算與表3鳥嘴節(jié)點桁架平面內(nèi)計算對比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鳥嘴節(jié)點桁架在考慮節(jié)點剛度提升及蒙皮效應(yīng)后，主要受力桿件軸力減小10%~20%,應(yīng)力降低10%以上，理想設(shè)計狀態(tài)下自身重量也有所減輕。/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/c4b64862279.png

2.4鳥嘴節(jié)點桁架與型鋼桁架空間計算對比分析

基于上述鳥嘴節(jié)點桁架的設(shè)計計算假定，對于15,18,21,24m這四種不同跨度桁架進(jìn)行計算對比分析，具體替換方案和設(shè)計研究如下：

(1)主平面桁架的上下弦桿由H型鋼替換為方鋼管，方鋼管繞軸線旋轉(zhuǎn)45°,腹桿由圓管更換為方鋼管；

(2)取消條檁條，將走廊兩側(cè)的壓型鋼板與腹桿直接焊接；

(3)屋面、走道等斜撐由角鋼替換為方鋼管；

(4)其余構(gòu)件類型與原方案保持一致；

(5)荷載加載，見表4。

/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/da76ccf6189.png按照上述設(shè)計假定條件，對15,18,21,24m這四種跨度鳥嘴節(jié)點桁架與型鋼桁架進(jìn)行計算分析，通過圖9對計算結(jié)果進(jìn)行對比，可發(fā)現(xiàn)在理想設(shè)計狀態(tài)下，鳥嘴節(jié)點桁架對比型鋼桁架的用鋼量有所減輕，鳥嘴節(jié)點桁架下弦桿應(yīng)力與型鋼桁架基本持平，但上弦桿應(yīng)力明顯降低，降低幅度在10%,同時在壓型鋼板的蒙皮效應(yīng)下，鳥嘴節(jié)點桁架的腹桿應(yīng)力降低在20%,桁架撓度所產(chǎn)生位移量降低在30%。

/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/4af0a22f609.png綜合桁架在平面內(nèi)與空間內(nèi)的計算對比分析可以得出，鳥嘴節(jié)點桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計體系，可取消桁架兩側(cè)墻面檁條，將壓型鋼板與腹桿直接相連，能夠充分發(fā)揮壓型鋼板的蒙皮效應(yīng)，桁架受力性能得到提升，桁架自身的承載能力和抗震能力得到提高。對比傳統(tǒng)型鋼桁架設(shè)計體系，通過在平面內(nèi)、空間內(nèi)進(jìn)行計算和對比分析，在理想的設(shè)計狀態(tài)下，鳥嘴節(jié)點桁架重量有所減輕，弦桿應(yīng)力降低10%,腹桿應(yīng)力降低20%,桁架撓度所產(chǎn)生的位移降低30%,并且在理想的設(shè)計狀態(tài)下也會減輕一定的自重。

3鳥嘴節(jié)點桁架設(shè)計應(yīng)用

基于本文研究，選取某項目廠區(qū)內(nèi)一段輸送進(jìn)行施工圖設(shè)計，在實踐中驗證鳥嘴節(jié)點鋼桁架在實際工程中的用鋼量、施工周期、經(jīng)濟(jì)效益以及實際視覺效果等各項性能指標(biāo)。在項目實踐中，對常用標(biāo)準(zhǔn)跨18,21,24,27,30,33,36m共計7種跨度鳥嘴節(jié)點桁架進(jìn)行設(shè)計試算和研究對比分析。

經(jīng)過對不同跨度桁架進(jìn)行設(shè)計計算，桁架采用鳥嘴式節(jié)點和方鋼管結(jié)構(gòu)，取消桁架兩側(cè)檁條，腹桿采用相同外徑的方鋼管，將壓型鋼板與桁架結(jié)構(gòu)緊密連接，能夠發(fā)揮鋼板蒙皮效應(yīng)，桁架受力性能得到提升，桁架承載能力和抗震能力均得到了有效地提高。如圖10對安徽珍珠項目不同跨度鳥嘴節(jié)點桁架進(jìn)行匯總對比分析，可以得出，對于18~36m常用標(biāo)準(zhǔn)跨鳥嘴節(jié)點桁架，桁架主要受力構(gòu)件應(yīng)力比可控制在0.7~0.8之間，桁架撓度限制可控制在跨度的1/800之上，均明顯低于結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范容許值。

結(jié)合安徽珍珠項目場地特征和項目特點，輸送廊道沿線布置需避讓原有建筑，以及考慮地下管線影響，現(xiàn)選取33m鳥嘴節(jié)點鋼桁架為主要跨度進(jìn)行施工圖設(shè)計，圖11為33m鳥嘴節(jié)點鋼桁架輸送立面圖。

同時，在施工圖設(shè)計中鳥嘴節(jié)點桁架上下弦桿設(shè)計為方鋼管結(jié)構(gòu)，方鋼管繞軸線旋轉(zhuǎn)45°,腹桿由圓管更換為方鋼管，便于與墻板進(jìn)行可靠連接，對于屋面、走道的斜撐則由角鋼替換為方鋼管。同時，取消桁架兩側(cè)墻面檁條，將走廊兩側(cè)的壓型鋼板與腹桿采用鉚釘方式直接連接，為保證墻面壓型鋼板在受力過程中不發(fā)生局部失穩(wěn)，增加三道加勁肋進(jìn)行平面外屈曲約束，同時中間一道加勁肋采用稍大一級規(guī)格的方鋼管結(jié)構(gòu)，亦可采取相應(yīng)措施用于支撐建筑扶手使用。

4結(jié)語

本文通過對鳥嘴式節(jié)點和鳥嘴節(jié)點桁架進(jìn)行綜

合研究分析，得出如下結(jié)論：

(1)鳥嘴節(jié)點在荷載位移相等的情況下，其承載力、剛度比同等重量的圓管節(jié)點分別提升23.4%和10.7%;在截面相等的情況下，鳥嘴節(jié)點的軸向剛度要比型鋼節(jié)點的軸向剛度提高8%,故方管鳥嘴節(jié)點在力學(xué)性能上優(yōu)于傳統(tǒng)型鋼節(jié)點，更加符合抗震設(shè)計中“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則；

(2)鳥嘴節(jié)點桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計體系，可取消桁架兩側(cè)墻面檁條，將壓型鋼板與腹桿直接相連，能夠充分發(fā)揮壓型鋼板的蒙皮效應(yīng)，桁架受力性能得到提升，桁架自身的承載能力和抗震能力得到提高。對比傳統(tǒng)型鋼桁架設(shè)計體系，通過在平面內(nèi)、空間內(nèi)進(jìn)行計算和對比分析，在理想的設(shè)計狀態(tài)下，鳥嘴節(jié)點桁架重量有所減輕，弦桿應(yīng)力降低10%,腹桿應(yīng)力降低20%,桁架撓度所產(chǎn)生的位移降低30%,桁架整體承載能力提高，撓度降低，抗震性能提高；

(3)鳥嘴節(jié)點桁架應(yīng)用于試點項目，腹桿可使用相同外徑的方鋼管，并采用鉚釘方式將壓型鋼板與腹桿緊密連接，桁架整體剛度和協(xié)調(diào)性得到提高，桁架弦桿最大應(yīng)力比在0.7~0.8之間，桁架撓度所產(chǎn)生的位移量在桁架跨度的1/800之上，設(shè)計指標(biāo)均明顯低于結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范容許值；

鳥嘴節(jié)點桁架在施工中的難易程度、施工周期、經(jīng)濟(jì)效益以及其他各項性能指標(biāo)，還需要在實際工程中去驗證、總結(jié)和評價。

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