塔架式主皮带支架的设计研究

肖万松

摘要:钢管式支架是高炉主皮带通廊支架的常用形式，而塔架式支架作为一种受力合理的支承体系在其它行业中广泛应用。本文结合工程实例，对塔架式和钢管式支架主皮带通廊进行受力分析，得出不同的经济指标，结果表明塔架式支架经济指标更优；同时塔架式支架设计提出了一些注意事项，为今后应用有着重要的意义。

关键词：主皮带通廊；塔架式支架；摇摆支架；固定支架

1 引言

主皮带通廊是给高炉上料的主要传送通道，具有跨度大、高度高的特点。主皮带通廊的支架一直沿用的是传统的钢管支架形式。

钢管式支架是我司目前高炉主皮带通廊支架结构的常用形式。该结构是采用大直径焊接钢管作支腿，顶部采用箱型梁将支腿合并成支架的形式。该结构具有构造简单，受力明确的特点；顶部箱型梁可以在工厂预制后现场拼装。但支腿为大直径焊接钢管，体量较大；且钢管具有一定倾角，需要较大的拼装场地，需要采用大吨位吊车施工，措施费比较高，给现场施工吊装带来不便。该结构形式，材料强度得不到充分利用，耗钢量较大。

随着三维计算软件的普及和施工技术的进步，近年来塔架式结构作为一种受力合理的支承体系广泛应用于工厂烟囱支撑、大型建筑物支撑、水塔塔架、通讯及电力工程。冶金行业的相关单位也在高支架上越来越多的应用该结构形式。

本文针对主皮带通廊的钢管式支架形式的缺点，结合塔架式结构的特点，拟将塔架式结构用于主皮带通廊支承结构。

2塔架式结构应用现状简介

塔架结构是一种具有规则几何图形的空间杆系结构。随着工业技术进步和无线电、电视事业的发展，塔架结构应用范围日益扩大。现代钢塔架的主要功能是：以钢塔架作为载体，将某种工艺装置举向高空；也可作为安装及施工的起重机结构。因此，钢塔架广泛应用于广播电视、通讯、电力等部门，用作电视塔、通讯塔、无线电塔、输电塔、风力发电塔等高耸建筑。

历经近30年的发展，塔架结构相关设计理论、施工技术趋于完善；工程应用实例也日益广泛。

随着电力工业的发展，输电线路纵横交错，我国近年来已完成的35kv-500kv输电线路就有30多万公里，相应的输电塔有100万座，其中超过百米高度的输电线路跨越塔有30多座。目前最高的输电塔是370m的浙江舟山跨海输电塔。

无线电广播、通讯、电视的不断发展，要求建造更多更高的天线建筑，其规模和高度与其它用途的钢塔架比较，是遥遥领先的。我国第一座带塔楼的大型钢塔是1965年建成的广州电视塔(200m )，并于1972年建成了上海电视塔(210m)。 80年代后，新型多功能钢结构电视塔大量涌现，逐渐成为各地的地标建筑，高度在200m以上的就有多座。

设计理论方面，《高耸结构设计规范》 （GB50135-2006）等对塔架结构的内力计算、构造要求有明确规定。《通信铁塔标准图集》（内法兰单管塔）（Q/ZTT1002-2014），《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》 （DL/T5154-2012）等行业标准对输电线塔及通信塔的设计施工作出规定。

塔架结构的分类方法很多，大致有以下两种：

（1）按结构形式分类：可分为格构式塔架和圆筒型塔架；

（2）按结构材料分类：可分为钢结构塔架和钢筋混凝土结构塔架(本文主要研究钢结构塔架)。

根据结构形式的不同，塔架可分为圆筒型和格构式两种。

1）圆筒型塔架又称单管塔架，在当前风力发电塔及输电线塔中均大量采用，其优点是外形简洁美观、构造简单、传力明确、占地面积小、用钢量省，上下塔架安全可靠。从结构上看，圆筒型塔架是空间薄壁壳体，易于充分发挥材料作用，达到较好的结构性能和经济效益。圆筒型塔架一般有若干段20~30m的锥筒用法兰联接而成，塔架由底向上直径逐渐减小，整体呈圆台状。

2）格构式塔架在输电线塔、通讯塔、风力发电塔中有广泛应用。塔架构件截面形式有钢管、角钢、圆钢及其组合构件。

塔架的立面形式首先要满足工艺要求，然后在大致按照塔架在外力作用下的弯矩图形、以及腹杆受力最小的理想坡度，确定塔架外形尺寸，同时考虑给予制造、安装工作创造方便。塔架立面轮廓基本上有直线型、单折线型、多折线型、带有拱形底座的多折线型等四种。

塔架的平截面形状有三角形、四边形、六边形、八边形等。在特殊情况下，也可采用多边网状结构。一般情况下，塔架截面边数越少，耗用钢材也越少，三角形截面最省材料，四边形次之，四边形的侧向刚度与抗扭性能都比较好。当塔架较高，底盘尺寸较大，如用四边形腹杆过长，则可改用六边形或八边形、有时为了美观，也有用多边形。塔架截面边数越多，所耗钢材也就越多。在相同高度、相同技术条件、相同气候条件的情况下，塔架八边形结构要比三角形结构多用钢材30%左右，比四边形结构多用钢材20%左右。

塔架腹杆体系可分为：斜杆式、交叉式、K式、再分式等。 斜杆式腹杆用在小型塔架。一般为刚性斜杆，由于长细比限制，斜杆材料没有充分发挥。斜式腹杆分隔节段较大，使塔柱的长度也过大，故较费钢材。交叉式用的较多，斜杆可做成刚性与柔性两种。两者比较，由于柔性斜杆截面较小，长细比较大，相应的减少了腹杆迎风面积，对减轻塔架其他部分也有一定的效果。K式腹杆的主要特点是减小节间长度、斜杆、横杆长度，这种腹杆体系，与刚性交叉腹杆的性质有些近似，经济效果和刚性斜杆也相差不大，在塔架宽度较大时效果较好。再分式腹杆实际上是一种刚性腹杆，除掉理论上不受力的副横隔、副横杆外，剩下结构完全和刚性交叉腹杆体系或K式腹杆一样。再分式腹杆的优点是减小塔柱、斜杆、横杆的长细比，但有节点增多、风荷载增大、材料用量提高等缺点。

从现在已经建成的塔架看来，采用十字交叉腹杆体系，特别是预加应力柔性斜杆，具有减小风阻、增加刚度、节约钢材、结构轻巧、主次分明、线条清晰的等特点。

3钢管式支架应用现状

钢管式支架是我司近年来高炉主皮带通廊支架结构的常用形式。该结构是采用大直径焊接钢管作支腿,顶部采用箱型梁将支腿合并成支架的形式。该结构具有构造简单，受力明确的特点；顶部箱型梁可以在工厂预制后现场拼装。

但支腿为大直径焊接钢管，体量较大；且钢管具有一定倾角，需要较大的拼装场地，需要采用大吨位吊车施工，措施费比较高，给现场施工吊装带来不便。该结构形式，材料强度得不到充分利用，耗钢量较大。

4钢管式支架与塔架式支架对比分析

以马钢高炉主皮带通廊支架为例，分别对两种支架形式从荷载、受力、变形、应力比等角度进行受力特性研究，然后从结构受力、结构施工、节点构造、技术经济角度进行对比分析，总结出哪些情况适用塔架式支架结构。

4.1 基本荷载条件

1、垂直荷载

每延米通廊上的作用荷载统计如下

1、恒荷载：

通廊自重（包括通廊支架）： 32KN/m

皮带机支架：15KN/m（非受料段均布垂直荷载）

2、活荷载：

屋面活荷载：0.5 KN/m2

积灰荷载: 0.5 KN/m2

平台活荷载：2.5 KN/m2（仅作用在两边走道平台上，宽度约2550mm）

通廊走道平台宽度为B1=5300mm，通廊屋面宽度为B2=6700mm

则沿通廊纵向线荷载为：

标准值：32+15+0.5x6.7+0.5x6.7+2.5x2.55=60 KN/m

3、风荷载

当计算主要承重结构时，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值为：

参照《建筑结构荷载规范》，通过计算及查表，则有：

1） （高度 ） （高度 ）

2）W0=0.35 KN/m2（地面粗糙度B）

3） （垂直迎风面） （垂直背风面）

4）B类场地： （10米高度） （15米高度）取自荷载规范

根据不同的计算要求，分别选取上述所列的 、 、 、 值，进行计算皮带通廊不同部位的风荷载标准值。

H=33m，按该高度进行风荷载计算参数取值，得出通廊侧墙皮和通廊屋盖上风荷载标准值分别为：

Wk1=2x1.3x1.5x0.35=1.37 KN/m2

则作用在该通廊支架上的风荷载作用力为：

Wk=1.37 x5.5=7.54 KN/m

4、皮带机头轮纵向水平力：

Pk=1100KN

4.2钢管式支架计算

利用SAP2000软件分别建立双柱摇摆支架和三角形固定支架有限元模型，输入相应的荷载进行计算，并查看输出结果中的恒载位移、风载位移、恒载内力、风载内力和应力比图。

通过计算结果，圆管单片摇摆支架结构特性如下：

1、单片摇摆支架的结构，由于圆管的直径比较大，柱顶不易完成刚接，为保持形状不变，刚度由柱顶节点提供；

2、单片摇摆支架的结构，其受载有垂直荷载和水平荷载，其中以垂直荷载为主，水平荷载产生的内力比垂直荷载略低；

3、单片摇摆支架的结构，在本算例中，其截面受稳定应力控制；

4、单片摇摆支架的结构，在本算例中，风载侧向位移为1/1120，远小于1/400的控制指标；

5、单片摇摆支架的结构，在本算例中，低阶的周期都是顺着通廊的方向，从数值上看，属于柔性结构。但该计算未考虑通廊的支撑作用和节点长圆孔的作用，需另行研究。

圆管三角固定支架结构特性如下：

1、三角固定支架的结构，由于圆管的直径比较大，柱顶同样不易完成刚接，为保持形状不变，平面上不扭转，刚度由柱顶节点提供；

2、三角固定支架的结构，其受载有垂直荷载和水平荷载，其中以沿通廊的水平荷载为主，特别是位于通廊轴线处的支柱，水平荷载产生的内力远大于垂直荷载；

3、三角固定支架的结构，在本算例中，其截面受稳定应力控制；

4、三角固定支架的结构，在本算例中，风载侧向位移为1/900，远小于1/400的控制指标；

5、三角固定支架的结构，在本算例中，第一阶的周期都是垂直通廊的方向，从数值上看，属于刚度比较大的半柔性结构，体现出该支架刚性大的特点。

6、三角固定支架的结构，在本算例中，当采用同等截面时，位于通廊轴线处的支柱，应力比另两个支柱大，因此，理论上可以采用一大两小的精细化设计。4.3塔架式支架计算

利用SAP2000软件分别建立摇摆支架、三角形固定支架和四边形固定支架有限元模型（详见下图），输入相应的荷载进行计算，并查看输出结果中的恒载位移、风载位移、恒载内力、风载内力和应力比图。

通过计算结果，塔架式摇摆支架结构特性如下：

1、塔架式摇摆支架的结构，利用中部的连杆和支撑形成整体，提供了巨大的刚度，柱顶节点可以大大简化；

2、塔架式摇摆支架的结构，其受载有垂直荷载和水平荷载，其中以垂直荷载为主，水平荷载产生的内力比垂直荷载略低；

3、塔架式摇摆支架的结构，在本算例中，其截面受稳定应力控制；

4、塔架式摇摆支架的结构，在本算例中，风载侧向位移为1/870，远小于1/400的控制指标，但比相应的圆管支架要大；

5、塔架式摇摆支架的结构，在本算例中，第一阶的周期是顺着通廊的方向，第二阶的周期是垂直通廊的方向，从数值上看，属于半柔性结构。空间刚度和稳定性大大强于圆管支架，施工该支架时，无需像圆管支架那样拉揽风绳。

三角形固定支架结构特性如下：

1、塔架式三角支架的结构，利用中部的连杆和支撑形成整体，提供了巨大的刚度，柱顶节点可以大大简化；

2、塔架式三角支架的结构，其受载有垂直荷载和水平荷载，其中以水平荷载为主，水平荷载产生的内力远大于垂直荷载，同时，特别是垂直荷载，传力路径以塔架立柱为主，因此，主皮带通廊中的塔架式支架结构，立柱的断面不会很小；

3、塔架式三角支架的结构，在本算例中，其截面受稳定应力控制；

4、塔架式三角支架的结构，在本算例中，风载侧向位移为1/1300，远小于1/400的控制指标，但比相应的圆管支架要大；

5、塔架式三角支架的结构，在本算例中，第一阶，第二阶的周期是杆件的局部振动，从数值上看，该结构属于刚度比较强的结构。

四边形固定支架特性如下：

1、塔架式四角支架的结构，柱顶节点比三角支架更好构造；

2、塔架式四角支架的结构，在本算例中，风载侧向位移为1/1700，远小于1/400的控制指标，与相应的三角圆管支架基本一致；

3、塔架式四角支架的结构，在本算例中，第一阶的周期是顺着通廊的方向，第二阶的周期是垂直通廊的方向，从数值上看，该结构属于刚度比较强的结构。

4、塔架式四角支架的结构，作为三角支架的一种改进型，适合于通廊刚度要求高，现场场地受限无法拼装，或下部有特殊通行要求的情形。

5 对比分析及结论

在结构受力、结构构造上，塔架式结构可以承当圆管式结构的所有荷载，成为目前高炉主皮带通廊支架的一种替代品。相对圆管式结构而言，塔架式结构在水平荷载作用下，变形要更大、材料要更省。

通过本研究，可以得出以下结论：

1、高炉主皮带通廊，可以采用塔架式支架替代，其中包括摇摆支架和固定支架，相同的荷载工况下，应力和变形均可满足要求。

2、塔架式支架，由于计算长度小，没有顶部刚度节点，耗钢量指标要比圆管支架低35%左右，但抗侧刚度要差一些。

3、塔架式支架，从施工来说，其优点是，不需要大块的拼装场地，不需要大吊车，不需要揽风绳作临时固定措施，可以实现节点的标准化制作；其缺点是，一般情况下，施工周期会比圆管支架长。

4、应用于高炉主皮带通廊时，塔架由于垂直荷载太大，轴压力直接从柱子往下传，塔架的柱子不可能像其他行业的柱子那样轻巧。

5、应用于高炉主皮带通廊时，塔架式支架柱子在满足径厚比的情况下，应尽量选择大直径的钢管。

参考文献

[1]塔架式钢烟囱受力分析[J].中国重型装备,2017(6).

[2]钢结构设计标准（GB 50135-2019）

[3]钢结构设计标准（GB 50017-2017）

[4]建筑抗震结构设计规范（GB 50011-2010）