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摘要：本文结合电厂输煤栈桥设计实例，从结构体系方案、结构分析方法等方面对栈桥结构进行优化设计，经过经济技术对比分析后，明显取得良好经济效益。
关键词：输煤栈桥、结构选型、支架柱、桁架结构、滑动支座、优化
【中图分类号】TM62 【文献标识码】A 【文章编号】2236—1879（2017）16—0194—02
引言
输煤栈桥是火力发电厂燃料供应系统的重要构筑物之一，与大多数建筑物不同，输煤栈桥立面高度超高、跨度大、倾斜角度各异、节点设计复杂，土建工程量大。随着近期大型火力发电厂项目工程日益增多，输煤工艺专业规划制定的栈桥设计难度也在不断加大，超高超长栈桥设计日益增多，对栈桥的抗震设计要求也在精益求精。所以，正确计算和分析输煤栈桥结构，优化栈桥结构体系势在必行。本文以某大型火力发电厂（新建2×600MW）热点联产机组项目工程#3号输煤栈桥（即碎煤机室至主厂房之间栈桥）为设计实例，简述关于栈桥整体结构的优化设计。
1.工程概况
该工程基本风压0.45KN/m2，地面粗燥度类别为B类，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.15g设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅲ类。该#3栈桥倾斜角度15.4°，栈桥水平长度159.97m，净宽宽度7.4m。栈桥采用封闭式栈桥，栈桥屋面及外墙围护均为复合保温压型钢板轻型结构。
2.传统栈桥设计思考
根据常规设计，对于低矮且跨度不大的运煤栈桥，其桥身及支柱一般采用现浇钢筋混凝土结构；当跨度超过18m时，栈桥桥身结构优先选择采用钢桁架结构和现浇混凝土柱结构或钢支柱结构。通常来说，输煤栈桥桥身分成几段支柱支撑的简支钢桁架结构，若采用钢筋混凝土支柱结构，则支柱下端固结于基础内部、支柱顶端与栈桥端柱为铰接连接。根据《火力发电厂土建结构设计技术规程》规定：运煤栈桥采用钢筋混凝土支柱且跨间承重结构与支架铰接的结构时，封闭栈桥的伸缩缝最大间距不宜超过130m。针对本工程#3栈桥，栈桥水平长度近160m，桥面最高端衔接主厂房处最高相对标高41.0m，属于典型的大跨超长超高运煤栈桥结构，这就意味着在整个跨度区间内须设置中部框架结构，栈桥所承受的风荷载、水平地震力作用均由钢筋混凝土支架柱和中部框架结构共同承担，但因该地区地震烈度较高，场地土类别低下，栈桥倾斜角度又高，低端承受的栈桥水平地震力便会引起柱基础底面应力很大，天然地基不易满足持力要求。另外，钢筋混凝土支架及框架柱施工周期长，施工场地交叉占用导致施工难度加大，故此进行栈桥结构的整体优化设计。
3.栈桥结构选型及优化
针对钢筋混凝土结构存在的问题，在对该电厂#3栈桥结构的设计上做出以下方案优化：
3.1栈桥支架柱的优化。将支架柱设计成钢柱支撑结构体系，柱两端采取铰接连接设计，使得支架柱自身不再承受栈桥纵向水平地震力，弱化弯矩和水平剪力对柱脚的控制影响，改善柱的受力方式，达到优化截面设计的目的。同时设置柱间支撑体系，以保证钢柱双向整体稳定系数相近。另外，在支架上方横向方向（即垂直栈桥桥面方向）亦采用支撑框架结构，将桁架端竖杆与端部刚性系杆进行刚性连接，从而增大钢支架的横向抗侧刚度，减小栈桥横向水平位移。经过经济技术对比分析，采用钢支架柱形式的造价成本比混凝土柱形式大幅降低近10%左右，不仅缩短施工工期，安装成本也大幅降低，为甲方带来明显经济效益。
3.2栈桥桁架的优化。传统的栈桥桁架设计习惯采用上下弦杆为双角钢截面，斜腹杆垂直桥面布置。这种设计的弊端在于双角钢回转半径过小，稳定系数较弱，截面尺寸设计偏大不合理，桁架承载力也不易满足设计要求。该工程#3栈桥设计方案优化为宽翼缘工字钢（H300X300）替代双角钢2L200x20截面，弦杆回转半径增大两倍，同时斜腹杆改为垂直地面方向布置并以桁架跨度对称布置，斜腹杆由受压杆转为受拉杆，稳定性能顯著提高。经优化修改后，构件自重减少8.27%，桁架构件截面得到优化，受力性能大大改善。
因本工程#3栈桥属于超长超高结构，为满足伸缩缝要求，在整段栈桥区间增设中部钢框架结构，将中部框架与主厂房之间的桁架设计为两跨连续桁架+独立简支桁架（见图3.2-1）。连续桁架的优点在于能够充分发挥上下弦杆作为主受力构件的荷载再分配，在横向水平力和竖向荷载的作用下，减少桁架整体挠
度及水平位移和竖向变形。
3.3栈桥桥面板的优化。对于栈桥桥面板，传统做法基本采用预应力槽型板结构作为栈桥桥面结构。根据多个电厂施工现场反馈意见，槽板结构加工程序繁复，施工场地有限且吊装难度较高，加之抗震性能存在较多意见分歧，故而进行优化改良设计，拟采用压型钢板做为底模的钢筋混凝土桥面板结构，即将钢板作为模板，在使用阶段替代或部分替代混凝土中的受拉钢筋，令钢板和混凝土在受荷过程中共同工作。组合楼板设计计算原理同普通钢筋混凝土板设计。
压型钢板一混凝土组合楼板自身优点很多：1.可作为模板永久保留在构建中，节约支设及拆除模板所耗费的成本；2.钢板安装便利。对于竖向高度达40m以上的施工现场，易于搬运和铺设快捷为施工设计方案首选。在钢板铺设结束后，板上空间还可自由进行其它工序作业；3.组合楼板可承受恒载和施工活荷载。在压型钢板铺设完成并与支撑构件安全连接后，能为施工人员及施工设备提供安全稳固的工作平台；4.组合楼板延性性能优越，尤其在抗震地区效果显著。
根据冶金行业标准《钢-混凝土组合楼盖结构设计与施工规程》，电力行业标准《钢-混凝土组合结构设计规程》设计规定，组合楼板通常做法为：在组合钢梁上焊有一排或两排不小于Φb16、间距200的栓钉抗剪连接件，同时铺设板内受力钢筋，然后进行混凝土浇筑。从实践效果上看，压型钢板-混凝土组合楼板确实具有节时、省力、减轻楼板自重、降低楼板厚度的优点，更便于与钢构件之间的连接，美化栈桥外观的同时也达到增强楼板强度和刚度的目的。
3.4滑动支座优化设计。对滑动支座的设计改良源自借鉴桥梁支座的设计理念。对于地震灾害严重地区的重要构筑物设计，节点设计对结构整体抗震设计起着至关重要的作用。传统滑动支座的做法为钢板之间加垫两块聚四氟乙烯板来传递摩擦力，运行实践证明，栈桥自重过大难以实现滑动设计初衷，加上聚四氟乙烯板时长老化难以更替，故进行滑动支座的优化设计。
考虑到本工程#3栈桥超长超高、抗震设防烈度较高的特点，连接主厂房末端桁架长度超过30m跨度，故对设置于栈桥高端与主厂房牛腿连接处的滑动支座设计进行构造优化设计，即在支座内部增设3qb100辊轴，上下钢板及辊轴强度均为Q390钢，再镶嵌入聚四氟乙烯板以保证其整体滚动效应。辊轴支座盒内注满润滑油，待支座安装完毕后，采用防水帆布予以封闭，以防止雨水、灰尘等进入辊轴支座盒内。
根据现场抗压性能综合分析数据反馈，该优化设计支座构件的局部最大应力均小于Q390钢的极限屈服应力值，同时满足抗拔性能要求，符合支座设计要求，至今运行良好。
4.结论
通过本工程实例总结和分析，在电厂输煤栈桥设计过程中不断进行优化和革新的效果是显著而必要的：1.混凝土支架改成钢框架结构，有效控制栈桥横向位移，增加侧向刚度，同时节约工期至少两个月；2.连续钢桁架的技术应用使得优化后的桁架用钢量节省钢材12.3%，整体刚度加强，不仅外观轻巧美观，亦达到安全经济的效果。
关键词：输煤栈桥、结构选型、支架柱、桁架结构、滑动支座、优化
【中图分类号】TM62 【文献标识码】A 【文章编号】2236—1879（2017）16—0194—02
引言
输煤栈桥是火力发电厂燃料供应系统的重要构筑物之一，与大多数建筑物不同，输煤栈桥立面高度超高、跨度大、倾斜角度各异、节点设计复杂，土建工程量大。随着近期大型火力发电厂项目工程日益增多，输煤工艺专业规划制定的栈桥设计难度也在不断加大，超高超长栈桥设计日益增多，对栈桥的抗震设计要求也在精益求精。所以，正确计算和分析输煤栈桥结构，优化栈桥结构体系势在必行。本文以某大型火力发电厂（新建2×600MW）热点联产机组项目工程#3号输煤栈桥（即碎煤机室至主厂房之间栈桥）为设计实例，简述关于栈桥整体结构的优化设计。
1.工程概况
该工程基本风压0.45KN/m2，地面粗燥度类别为B类，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.15g设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅲ类。该#3栈桥倾斜角度15.4°，栈桥水平长度159.97m，净宽宽度7.4m。栈桥采用封闭式栈桥，栈桥屋面及外墙围护均为复合保温压型钢板轻型结构。
2.传统栈桥设计思考
根据常规设计，对于低矮且跨度不大的运煤栈桥，其桥身及支柱一般采用现浇钢筋混凝土结构；当跨度超过18m时，栈桥桥身结构优先选择采用钢桁架结构和现浇混凝土柱结构或钢支柱结构。通常来说，输煤栈桥桥身分成几段支柱支撑的简支钢桁架结构，若采用钢筋混凝土支柱结构，则支柱下端固结于基础内部、支柱顶端与栈桥端柱为铰接连接。根据《火力发电厂土建结构设计技术规程》规定：运煤栈桥采用钢筋混凝土支柱且跨间承重结构与支架铰接的结构时，封闭栈桥的伸缩缝最大间距不宜超过130m。针对本工程#3栈桥，栈桥水平长度近160m，桥面最高端衔接主厂房处最高相对标高41.0m，属于典型的大跨超长超高运煤栈桥结构，这就意味着在整个跨度区间内须设置中部框架结构，栈桥所承受的风荷载、水平地震力作用均由钢筋混凝土支架柱和中部框架结构共同承担，但因该地区地震烈度较高，场地土类别低下，栈桥倾斜角度又高，低端承受的栈桥水平地震力便会引起柱基础底面应力很大，天然地基不易满足持力要求。另外，钢筋混凝土支架及框架柱施工周期长，施工场地交叉占用导致施工难度加大，故此进行栈桥结构的整体优化设计。
3.栈桥结构选型及优化
针对钢筋混凝土结构存在的问题，在对该电厂#3栈桥结构的设计上做出以下方案优化：
3.1栈桥支架柱的优化。将支架柱设计成钢柱支撑结构体系，柱两端采取铰接连接设计，使得支架柱自身不再承受栈桥纵向水平地震力，弱化弯矩和水平剪力对柱脚的控制影响，改善柱的受力方式，达到优化截面设计的目的。同时设置柱间支撑体系，以保证钢柱双向整体稳定系数相近。另外，在支架上方横向方向（即垂直栈桥桥面方向）亦采用支撑框架结构，将桁架端竖杆与端部刚性系杆进行刚性连接，从而增大钢支架的横向抗侧刚度，减小栈桥横向水平位移。经过经济技术对比分析，采用钢支架柱形式的造价成本比混凝土柱形式大幅降低近10%左右，不仅缩短施工工期，安装成本也大幅降低，为甲方带来明显经济效益。
3.2栈桥桁架的优化。传统的栈桥桁架设计习惯采用上下弦杆为双角钢截面，斜腹杆垂直桥面布置。这种设计的弊端在于双角钢回转半径过小，稳定系数较弱，截面尺寸设计偏大不合理，桁架承载力也不易满足设计要求。该工程#3栈桥设计方案优化为宽翼缘工字钢（H300X300）替代双角钢2L200x20截面，弦杆回转半径增大两倍，同时斜腹杆改为垂直地面方向布置并以桁架跨度对称布置，斜腹杆由受压杆转为受拉杆，稳定性能顯著提高。经优化修改后，构件自重减少8.27%，桁架构件截面得到优化，受力性能大大改善。
因本工程#3栈桥属于超长超高结构，为满足伸缩缝要求，在整段栈桥区间增设中部钢框架结构，将中部框架与主厂房之间的桁架设计为两跨连续桁架+独立简支桁架（见图3.2-1）。连续桁架的优点在于能够充分发挥上下弦杆作为主受力构件的荷载再分配，在横向水平力和竖向荷载的作用下，减少桁架整体挠
度及水平位移和竖向变形。
3.3栈桥桥面板的优化。对于栈桥桥面板，传统做法基本采用预应力槽型板结构作为栈桥桥面结构。根据多个电厂施工现场反馈意见，槽板结构加工程序繁复，施工场地有限且吊装难度较高，加之抗震性能存在较多意见分歧，故而进行优化改良设计，拟采用压型钢板做为底模的钢筋混凝土桥面板结构，即将钢板作为模板，在使用阶段替代或部分替代混凝土中的受拉钢筋，令钢板和混凝土在受荷过程中共同工作。组合楼板设计计算原理同普通钢筋混凝土板设计。
压型钢板一混凝土组合楼板自身优点很多：1.可作为模板永久保留在构建中，节约支设及拆除模板所耗费的成本；2.钢板安装便利。对于竖向高度达40m以上的施工现场，易于搬运和铺设快捷为施工设计方案首选。在钢板铺设结束后，板上空间还可自由进行其它工序作业；3.组合楼板可承受恒载和施工活荷载。在压型钢板铺设完成并与支撑构件安全连接后，能为施工人员及施工设备提供安全稳固的工作平台；4.组合楼板延性性能优越，尤其在抗震地区效果显著。
根据冶金行业标准《钢-混凝土组合楼盖结构设计与施工规程》，电力行业标准《钢-混凝土组合结构设计规程》设计规定，组合楼板通常做法为：在组合钢梁上焊有一排或两排不小于Φb16、间距200的栓钉抗剪连接件，同时铺设板内受力钢筋，然后进行混凝土浇筑。从实践效果上看，压型钢板-混凝土组合楼板确实具有节时、省力、减轻楼板自重、降低楼板厚度的优点，更便于与钢构件之间的连接，美化栈桥外观的同时也达到增强楼板强度和刚度的目的。
3.4滑动支座优化设计。对滑动支座的设计改良源自借鉴桥梁支座的设计理念。对于地震灾害严重地区的重要构筑物设计，节点设计对结构整体抗震设计起着至关重要的作用。传统滑动支座的做法为钢板之间加垫两块聚四氟乙烯板来传递摩擦力，运行实践证明，栈桥自重过大难以实现滑动设计初衷，加上聚四氟乙烯板时长老化难以更替，故进行滑动支座的优化设计。
考虑到本工程#3栈桥超长超高、抗震设防烈度较高的特点，连接主厂房末端桁架长度超过30m跨度，故对设置于栈桥高端与主厂房牛腿连接处的滑动支座设计进行构造优化设计，即在支座内部增设3qb100辊轴，上下钢板及辊轴强度均为Q390钢，再镶嵌入聚四氟乙烯板以保证其整体滚动效应。辊轴支座盒内注满润滑油，待支座安装完毕后，采用防水帆布予以封闭，以防止雨水、灰尘等进入辊轴支座盒内。
根据现场抗压性能综合分析数据反馈，该优化设计支座构件的局部最大应力均小于Q390钢的极限屈服应力值，同时满足抗拔性能要求，符合支座设计要求，至今运行良好。
4.结论
通过本工程实例总结和分析，在电厂输煤栈桥设计过程中不断进行优化和革新的效果是显著而必要的：1.混凝土支架改成钢框架结构，有效控制栈桥横向位移，增加侧向刚度，同时节约工期至少两个月；2.连续钢桁架的技术应用使得优化后的桁架用钢量节省钢材12.3%，整体刚度加强，不仅外观轻巧美观，亦达到安全经济的效果。