封闭式钢通廊风荷载和温度荷载的计算

　　摘 要：钢结构通廊有美观，重量轻，加工安装方便，施工周期短，后期维护方便等优点，目前在钢铁企业中被广泛采用，大量的工程应用充分展示了这种结构的优越性。本文作者就封闭式钢结构通廊设计过程中需要考虑的风荷载和温度荷载提出了一些应注意的问题，仅供参考。

　　关键词：封闭,钢结构,通廊,风荷载,温度荷载

　　前 言

　　钢铁行业中，皮带运输机的通廊通常采用桁架式全封闭通廊，料场中通廊总长能达到300m，支架间距一般采用20~30m，如果遇到道路或者管道无法架设支架时，跨度还需加大，有的通廊跨度达到50m。风荷载和温度作用将对构件的内力和截面选择产生较大影响，然而在设计过程中，此两种荷载的计算往往容易被设计人员忽视。本文就这两种荷载如何计算进行了讨论。

　　1 风荷载引起的桁架内力变化

　　1.1 风荷载标准值﹑基本风压﹑风荷载体型系数的取值

　　风荷载标准值﹑基本风压可按照《建筑结构荷载规范》采用。现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009中没有包括封闭式架空通廊的体型系数，通廊长而窄，体积小，架空，其迎风面μs值要比一般的落地建(构)筑物迎风面μs值要大;同理其顶面和背面的μs值亦比落地建(构)筑物相对要大。当风从通廊底下穿过时，由于狭流效应会使风速加大，μs也会相应加大。因此，按《钢铁企业胶带机钢结构通廊设计规范》(征求意见稿2)中第4.6.1和4.6.1条所规定，封闭通廊的风荷载体型系数均按《建筑结构荷载规范》GB 50009中所列房屋或构筑物体型类同者取值明显偏小。本文作者倾向于按《钢铁企业胶带机钢结构通廊设计规范》(征求意见稿1)中给出的通廊体型系数采用，见图a。

　　图a

　　1.2 侧风对通廊桁架内力的影响

　　通廊侧墙在风荷载作用下，对桁架的弦杆的内力产生影响。计算时可先将风荷载按屋面﹑桥面对应的刚度比例来分配，然后假定屋面或桥面是一个水平简支桁架，跨中弯矩可近似按简支梁计算M= 2(L为通廊跨度)，使弦杆一侧受拉，一侧受压。拉力和压力的大小为F1= 2(B为通廊宽度)。对下弦杆，叠加拉力对桁架较为不利;对上弦杆，则应叠加压力。见图b。

　　图b

　　经过比较，跨度大于 35m的通廊桁架，由于风荷载引起的内力变化可能会超过10%。跨度越大, 通廊宽度越窄，所叠加的风荷载就越大，因此，对于大跨度的通廊桁架，特别是通廊宽度较窄的通廊，更加不能忽略风荷载引起的内力变化。

　　1.3 顶面和底面风荷载对桁架的影响

　　屋面顶和桥面底风吸力通廊屋面顶和桥面底风吸力体型系数分别为-0.8和-1.0。计算桁架时，设计人员往往认为上下风吸力相互抵销的，只产生一个向下的体型系数为-0.2的风荷载。其实对于桁架的腹杆来分析，这样是不利的，因为一对共同作用的拉力将增加腹杆拉力的大小。

　　1.4 风荷载对端部刚架的影响

　　通廊端部刚架的风荷载计算可按上面讲述的方法分配的荷载集中作用于门式刚架的上下横梁节点处，建立门式刚架模型计算。通常将横梁与柱子(即桁架端部的竖杆，通常采用宽翼缘H型钢)刚接，柱脚铰接。一般情况下，风荷载作用下的柱顶位移将作为端部刚架构件大小的控制因素。风荷载作用下端部刚架的侧向位移目前规范中并未给出，根据钢铁行业通廊常规做法，可按1/250控制。计算模型见图c。

　　图c

　　1.5 风荷载对通廊支架的影响

　　通常，简单的支架都将其简化为不完全铰接的平面杆系结构单独进行作用效应计算，通廊侧面的风荷载作用是产生横向位移的主要荷载效应，规范规定，支架顶部的横向位移值可按其高度的1/350控制。通常，未取得较大的刚度，支架立柱采用轧制H型钢，支撑采用角钢构件的交叉斜腹杆。当支架由于特殊原因不能设置交叉斜腹杆时，应对立柱进行加强，可采用在H型钢腹杆上增加T型钢形成十字形构件的形式较为简洁。计算模型见图c。

　　图d

　　2 温度变形对桁架和支架的影响

　　2.1 温度区段和支架设置的合理性

　　温度对通廊的作用是一直客观存在的。为了减小外界温度变化对通廊及其支承结构产生的温度作用，通常采取的最有效办法就是在通廊长度方向设置温度伸缩缝，即将通廊划分为一个个独立的温度区段。每一个温度区段可以作为通廊的纵向计算单元，但应注意每一个温度区段均应是独立的稳定体系。在编的《钢铁企业胶带机钢结构通廊设计规范》第7.1.1条规定，封闭式通廊的温度区段的长度为180m。

　　通廊支架一般分为单片支架和固定支架，其设置应根据相邻建(构)筑物之间的通廊长度统一确定，并符合下列要求： a小于等于150m时且通廊一端固定于转运站等建(构)筑物上面时，可只设置单片支架，不设置固定支架;b大于150m但小于等于360m时，可设置一个固定支架;c大于360m时，可适当增设固定支架。

　　设置单片支架的主要目的是合理划分通廊的跨度和传递通廊竖向荷载;设置固定支架的另一个主要目的是保证通廊及其支架与相邻俩建(构)筑物能够共同形成完整的纵向稳定体系和抗震体系。

　　2.2 温度荷载的计算

　　首先，应确定温度区段内的通廊变形约束中心点。钢铁企业中，一般情况是采用一段设置滚动支座，另一端采用固定铰或固接连接在转运站的通廊梁上，因此这个固接连接点即通廊变形约束中心点。见图e。

　　图e

　　a) 采用滚动支座允许通廊与支承结构之间产生相对有限纵向水平位移的连接时，通廊传递到支承结构顶部的纵向水平推力，应按下式进行计算：

　　F滚= μf L1 G L

　　式中 Fx——由摩擦产生的、沿通廊支座纵向作用的水平力设计值(N); μf ——摩擦系数，滚动支座可取为0.1; L1 ——计算竖向荷载范围的通廊长度(m);GL——通廊水平投影单位长度上的等效重力荷载(N/m)。

　　b) 通廊在温差作用下，沿纵向发生位移△L，△L = K t L j α △t 式中Kt ——保温影响系数; L j ——计算支承点至不动点之间的通廊水平投影长度(mm);α——线膨胀系数(1.2×10-5/℃);△t ——结构承受的温差(℃)

　　通廊与其支承结构之间采用固定铰连接时，由温度作用产生的、支座传递到支承结构顶部的纵向水平推力 式中E——支承结构材料的弹性模量(N/mm2);I ——支承结构构件的截面惯性距(mm4);H——基础顶面至支承结构顶部的高度(mm)。

　　同一地区 △t相同，北方地区为35~45℃;中部地区25~35℃;北方地区为15~25℃。因此支座传递的纵向水平推力的大小只与支架的截面，高度以及支架到 变形约束中心点的距离有关。支架柱越矮﹑截面选的越大，则支架传递的纵向水平推力越大。

　　c) 根据力的平衡原理，支架和廊身桁架所承受的力如图e所示，第一跨桁架受力最小，T= F滚;第二跨桁架T= F滚+F温1;依此类推，手受力最大的就是和固定支座相连的桁架，其大小为每个单片支架水平推力和滚动支座摩擦力总和。

　　在变形约束中心点，通廊传递到支承结构顶部的纵向水平推力，因为该温度区段内通廊传递到其它支承结构顶部的纵向水平推力之代数和。

　　结束语

　　冶金企业的通廊设计往往受到场地因素以及工艺要求的影响，造成支架位置不规则，形成大跨度桁架，以及温度区段过长的情况。因此设计人员在设计中应充分考虑风荷载和温度变形的影响，使通廊设计既可靠又经济。

　　参考文献

　　[1]钢铁企业胶带机钢结构通廊设计规范(征求意见稿).

　　[2] GB50009-2001，建筑结构荷载规范[S].

　　[3] GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

　　[4]归衡石.胶带机通廊支架设计中几个纵向力的问题[J].特种结构,2004,21(2).

《封闭式钢通廊风荷载和温度荷载的计算》

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