学文网［摘要］为了使架空索道高支架顶部位移满足规范限制的要求，本文通过将架空索道支架设计成多种空间桁架结构方案，采用不同软件计算分析空间桁架结构，总结出控制高支架顶部位移的方法，使支架设计合理且经济实用。
［关键词］高支架，位移，架空索道，空间桁架
ABSTRACT: This paper introduces a method of the designs of high tower with Space truss, and the calculation and analysis of the space truss using different software to satisfy the requirements of the top displacement of overhead ropeway high tower. This paper also introduces the method to control the top displacement of overhead ropeway high tower. The method makes the design of the high tower more reasonable and economic.
KEYWORDS: high tower, top displacement, overhead ropeway, space truss
中***分类号：TH235 文献标识码：A 文章编号：
1概述
1.1 现状
我国货运索道主要用于矿山、冶金、建材等行业，可以运输煤炭、矸石、金属矿、非金属矿和废渣等原材料。它可以跨越峡谷、河流、高山，其适用范围极广，运输成本较低，维护费用省等诸多优点。
我国货运架空索道支架高度普遍都在50m以下（我院索道支架系列设计中最高为50m）。后来我院设计的四川省攀枝花巴关河洗煤厂排矸索道因需要设计了高达68m的高支架，2009年在***某索道上设计了高度达到87m的高支架，它属于国内和世界之最，该索道至今运行良好，实践证明设计是成功的。
1.2 项目概况
该双线循环式货运索道线路水平长度1103.942m，高差为4.268m，最大跨距649.06m，矿斗容积1.6m3，斗距86.486m，运行速度2.8m/s，年运输量120万t。工作制度为330天，每日3班，每班6.5小时，煤炭松散密度为12kN/m3。该索道设计最大高度支架有两座，其高度分别为69m和87m。
货车斗箱大，斗箱迎风面为梯形，上底1280mm，下底850mm，高1020mm，货车斗箱满载重19.2kN。
根据《建筑结构可靠度设计统一标准》,本工程结构安全等级为二级。该索道的支架按8度抗震设防，设计基本地震加速度值为0.20g，抗震分组为第二组，工程结构耐火等级为二级。工程所在地区属于寒冷地区，最冷月平均温度0～-100C，最大风速35m/s。
1.3 支架设计的重点与难点
1.3.1 支架设计的重点与难点
由于该索道2、3号支架之间跨度大（跨距649.06m），3、4号支架高度很高（3号支架高87m，4号支架高69m），在设计时对支架的安全性要求高，尤其是支架顶部位移的控制就成了设计的重点与难点。
通常架空索道支架的用钢量估算值为400～550kg/m，而该索道3、4号支架的用钢量竟达到了1000kg/m左右。但仍然无法满足索道规范对支架顶部位移的规定。因此，必须采取相应措施来满足规范的要求。
为了保证支架设计科学合理，在施工***设计阶段，我们采用了两种不同软件(3DD3S9.0和SAP2000)对3、4号高支架进行分析与计算，以确保工程安全可靠和安全运行。
该货运索道支架为托索式支架，《架空索道工程技术规范》(GB 50127—2007) [ 中国有色金属工业协会主编，《架空索道工程技术规范》（GB 50127—2007），北京，中国计划出版社，2007年8月第1版。第18页至第19页。]对货运架空索道托索式支架顶部的允许变形（位移）作了十分明确规定：索道运行时横向偏移为其高度的0.002倍，纵向偏移为其高度的0.003倍，停运时，横向偏移为其高度的0.005倍，纵向偏移为其高度的0.001倍。即对87m高支架顶部横向偏移不超过174mm，纵向偏移不超过261mm。
1.3.2 难点的解决方法
在过去，对货运索道支架的结构分析与计算采用平面桁架法。空间桁架简化为平面桁架进行计算是一种比较简单粗略的方法，计算时把支架分解成几个平面桁架，用节点法或截面法分别求出这些平面桁架的内力，再将内力组合起来，得到整个桁架的内力。这一方法主要缺点是：忽略了支架各个塔面的折角和杆件间的变形协调关系，其计算结果有一定误差。
但是随着计算机技术的发展和普及，简化计算不再适用较重要的高耸结构，且新的高耸结构设计规范的4.4.11条要求“高耸结构的扭转地震效应的计算应采用空间模型” [ 上海市建设和交通委员会主编，《高耸结构设计规范》（GB 50135—2006），北京，中国计划出版社，2007年4月第1版。第43页。]。即以整个支架为超静定空间体系，所有杆件连接的节点为理想铰接,立柱、斜杆和横杆只有轴向力作用。支架上作用的自重、风荷载和地震作用等计算时将这些荷载分别集中作用在支架各个节点上。由于空间桁架结构的杆件只承受轴向力，没有扭转和弯曲，节点的位移只有三项，设为。 任意杆件有两个节点。则建立杆件的力与位移的矩阵方程：
（1） 1
式中：
，为节点荷载向量；
为杆件单元的刚度矩阵；
，为杆件节点位移；
根据与任一节点i相连的各单元，在此节点处的位移式相同的，它们对i节点的作用力与i节点上的外载荷是相互平衡的。因此可以在统一的坐标系内，将全部单元的刚度矩阵迭加起来，得到整个桁架的刚度矩阵：
（2）
最后建立整个桁架结构全部节点载荷与全部节点位移之间的关系：
（3）
根据边界约束条件，解方程式（3）可得所有节点位移和杆件的内力。
支架各组成杆件分为主材，即立柱(塔腿)、斜杆、斜腹杆以及横隔等。根据Rao等[N P Rao, V Kalyanaraman. Non-linear behavior of lattice panel of angle towers: Journal of constructional Steel Research, 2001，(57)。第1355页至第1356页。]对这一问题进行了详细的论述，再结合Young等人各类杆件对支架承载力的影响分析，其研究结果表明：立柱轴向力只达到允许屈服荷载的80%-90%，斜杆则不到13%，额外的支撑并不能显著提高支架的强度。所以在支架受力过程中，各组成部分对支架的受力性能的影响是不一样的。
为了保证分析与计算的可靠性，采用3D3S和SAP2000两种不同软件进行建模分析与计算，进一步分析杆件的影响和贡献。将风荷载转化为作用于支架节点上的集中荷载，其他静荷载与动荷载按常规方法施加于结构上，然后对结构进行分析。当支架受力一定，支架约束一致时，改变立柱和斜杆断面，由分析可知：对于顶部位移影响最大的是调整立柱的截面。通过调整立柱、斜杆和横隔，达到既满足顶部位移的规定，又达到结构安全、可靠和经济实用的目的。
2线路支架设计分析
2.1 模型假定与边界条件
根据地质勘察单位提供的《该煤矿双线循环式运煤架空索道工程地质勘察报告》可知，工程用地范围基岩埋置较深， 卵石层较厚，支架基础持力层为砂夹石。
设计中，支架脚部视为铰接，支架立柱段与段连接、斜杆与立柱、斜杆与斜杆、水平杆与立柱、水平杆与水平杆支架之间连接
均视为铰接。87m高支架总体信息：节点总数250，受约束节点总数4，单元总数710，最大杆长（单元707）15m，最小杆长（单元35）0.4m。假定线路方向为x方向，垂直线路方向为y方向，垂直向上为z方向。
计算头部详见***1。
2.2支架顶部位移控制
通过分析可知，引起结构位移较大的原因主要有：
1）荷载大小及其组合；2）结构形式；3）结构构件的断面及材料性质等。针对本设计条件，荷载大小是明确的，所以对于确定的荷载有必要使用不同软件的分析结果作比较和校核，即检验软件的可靠性和设计输入的合理性。我们认为这一步仍然是必要的，它可以保证分析的科学性和准确性。
对于支架结构形式，通常采用正四边形空间杆件结构，可以采用组合角钢、钢管、钢管与组合角钢等结构形式，该项目采用的是钢管结构。
通过调整杆件的截面，能够获得立柱、斜杆和横杆对位移的不同影响程度。在满足“主管与支管或两支管轴线之间的夹角不宜小于300”[ 中华人民共和国建设部主编，《钢结构设计规范》（GB 50017—2003），北京，中国计划出版社，2003年8月第1版。第98页。
]要求和施工运输方便的条件下，合理调整支架分段的高度，获得其对位移的不同影响程度。
经过下面三个步骤的计算分析，并调整位移值，使之满足规范的要求。
步骤一：在其他条件不变的情况下，通过调整荷载作用，使用不同软件分析对位移的影响。
针对支架顶部节点计算结果详见表1、表2、表3、表4。
工况1：自重。
计算对比结果见表1。
第 1工况（自重）节点位移表(单位：mm)表1
（2）组合1：1.2自重+1.4×0.6风荷载。
计算对比结果见表2。
第 2组合（自重+风荷载）节点位移表 (单位：mm) 表2
（3）组合2：1.2自重+1.4活荷载+1.4×0.6风荷载+1.0卡斗力+1.3水平地震+0.5竖向地震。
计算对比结果见表3。
第 2组合（自重+风荷载+卡斗力+地震作用）节点位移表 (单位：mm)表3
步骤二：在其他条件不变的情况下，调整杆件截面，使用不同软件分析对位移的影响。
步骤三：其他条件不变的情况下，调整支架分段，使用不同软件分析对位移的影响。
2.3 分析结果比较
根据结构形式和受力特征，利用3D3S软件的支架模块和SAP2000软件的模块进行分析。使用比较的方法，对设计结果进行分析，分析结果见表4。
分析结果比较表4
表中数据说明两种软件计算结果接近，设计满足《架空索道工程技术规范》(GB 50127—2007)对位移和扭转的要求。
对于支架立柱，3D3S计算立柱构件最大应力比0.75（构件3），最小应力比0.15（构件256）。SAP2000计算对应构件最大应力比0.73（构件3），最小应力比0.13（构件256）。比较可知，两种软件计算应力比相差不大，且满足《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）对应力比的要求和工程需要。
3结论
通过对不同高度支架采用不同软件计算与分析的比较，我们可清楚地知道：当改变索道支架立柱断面时，对支架顶部位移的影响最大，其次是斜杆，影响较小的是横杆断面的调整。
对比分析后，利用支架结构杆件的调整经验，能够保证设计质量，使支架结构设计更加经济合理。这样的调整是建立在正四边形空间结构在一定高度的前提下的，对于其他形状的支架(如正三角形空间结构等)和高度更高的支架设计，需进一步的研究和总结，或者调整结构形式，或者采用组合截面。
参考文献
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