详解砂石料场中带式输送机栈桥结构设计

　　水利水电工程施工需要巨量的砂石料。为提供工程所需要的砂石料，需设置一个或数个砂石加工系统。砂石加工系统中设置有砂石料堆场， 用来对砂石料进行存储、 转运和调节。堆场构筑物的土建投资往往占砂石料加工系统的一半以上。堆场中带式输送机栈桥，因其平面位置落在料堆范围内，由堆料及卸料产生的料流压力对栈桥设计的影响重大。选择合适的结构布置可以有效地减少或避开料流压力，当无法避开时，在目前没有统一规定的情况下，应该正确地考虑料流压力，使设计的栈桥安全适用、 经济合理。本文根据对十几座（堆料高度20～30ｍ）大型堆场的设计实践总结，对堆场中带式输送机栈桥设计的特点进行了探讨。

　　１ 结构布置

　　带式输送机栈桥结构的布置主要取决于带式输送机的工艺布置及要求。跨度结构布置要结合立柱统一考虑，其布置顺序，一般由高至低，以避免短跨度配高立柱的情况出现。跨度结构的长度以2.4ｍ为模数，目前水电工程中使用的跨度一般为12～40.8ｍ。相邻两跨长度之差不宜过大，跨度结构类别应少，以便于标准化、系列化和重复利用。

　　砂石料堆场进料带式输送机栈桥由两端的机头、机尾部分和中间的立柱结构、跨度结构组成。根据带式输送机的工艺布置，带式输送机的轴线与堆场中的地垄轴线之间的夹角为0～90°， 当夹角值较小时， 必须将立柱布置在料堆中。特别地，当夹角值为0°时，可将部分栈桥立柱布置在堆场分仓隔料墙及堆场两端挡料墙上； 当夹角值较大时， 除可将立柱布置在料堆中，还可结合跨度结构尺寸，考虑将立柱布置在料堆边缘，或布置在堆料高度较小的部位，以避开或减少料流压力的影响，见图１。

　　布置在料堆中的立柱应根据堆料方式选择不同的型式。一般情况下，一台卸料小车只供应设有一条地垄的堆场进料， 即卸料小车运输的栈桥正位于地垄顶上。这样，无论堆场进料或出料，作用于立柱结构的骨料侧压力，主要是纵向（平行带式输送机方向）不对称作用， 立柱顶主要为纵向的水平位移。另一种情况，堆场下设有平行的双地垄，而卸料带式输送机栈桥位于两地垄之间，栈桥上安装有横向移动可逆带式输送机向两边卸料。这种条件下的栈桥，无论堆场进料或出料都可形成纵、横向（垂直带式输送机方向）均不对称的骨料侧压力作用于立柱，立柱顶有纵、横向两方向的水平位移。

　　２ 结构类型

　　２.１ 跨度结构

　　堆场进料带式输送机栈桥的跨度结构一般采用上承式钢桁架梁， 考虑钢桁架梁的重复使用， 其断面形状取为长方形。钢桁架梁的高度ｈ取其跨度Ｌ的１／14～１／16，钢桁架梁的宽度可根据进料带式输送机的宽度Ｂ（800～1200ｍｍ）分别定为1200～1800ｍｍ。走道采用挑臂支撑， 可根据工艺布置设置单边或双边走道，见图２。钢桁架梁的允许挠度为Ｌ／400 。

　　2.2立柱结构

　　堆场进料带式输送机栈桥的立柱采用立体钢支架，断面形状为长方形或三角形。根据设计实践，当立柱埋入料堆中的高度大于10ｍ时，适于采用长方形断面立柱，立柱的宽高比为1／3～1／5。钢支架埋入料堆中的高度一般不宜大于20ｍ。当高度大于20ｍ时，建议地面以上20ｍ的部分采用钢筋混凝土结构。钢支架的４个（或３个）立面均为桁架。钢支架的柱肢截面采用闭合断面，使截面惯性矩在两个方向基本相等，如“◎”形或“□”形。

　　３ 结构计算

　　３.１ 跨度结构钢桁架梁的计算

　　３.１.１ 计算假定

　　（1）钢桁架梁计算按平面桁架处理。

　　（2）桁架节点为理想铰接， 桁架所有杆件在同一平面内， 并相交于节点中心处。

　　（3）所有荷载都作用在桁架节点上（ 如杆件上有节间荷载， 将其按比例化为两个集中荷载， 分别作用在邻近的左、 右节点上） 。

　　３．１．２ 　荷载计算

　　（1）垂直荷载。① 恒载， 包括钢桁架梁自重、带式输送机设备重、重锤拉紧装置及其配重块，有时还有管道重量。② 活载， 包括带式输送机带面上物料的均布荷载、 钢桁架梁人行道上的均布活载（考虑积料、零件存放等，按2ｋＮ／ｍ２计）、雪载。

　　（2）水平荷载。主要为风载， 用于钢桁架梁上下平联的计算、 梁的稳定计算。

　　３．１．３ 结构内力计算简图

　　钢桁架梁按简支梁计算， 计算简图如图 ３所示。

　　３．１．４ 强度计算

　　根据内力计算成果， 验算上下弦杆及中间腹杆的应力。

　　３．１．５ 挠 度

　　桁架梁的挠度允许值为Ｌ／400 。

　　３．２ 立柱结构计算

　　３．２．１ 立柱结构计算假定

　　（1）取立体钢支架的一个立面按平面桁架处理。

　　（2）桁架节点为理想铰接， 桁架所有杆件在同一平面内， 并相交于节点中心处。

　　３．２．２ 荷载计算

　　（1）垂直荷载。包括钢支架自重、桁架梁支座处竖向反力、其他荷载（如置于支架内的垂直拉紧装置荷载） 。

　　（2） 水平荷载。包括上部桁架梁通过支座传递的横向风载（垂直带式输送机轴线方向）、作用于钢支架上的分布风载、料流压力。堆场进料时，骨料流动比较缓慢，当骨料堆置达设计最大高度时，停止进料，此时骨料处于稳定状态。地垄卸料孔开启卸料时， 骨料失去稳定而流动。随着出料时间的延长， 料堆顶部塌落， 以卸料口为锥顶形成的“ 漏斗” 逐渐加深，上口直径也不断扩大。由于砂石料的自卸角一般大于其自然休止角， 故自卸形成的“ 漏斗” 斗壁难以长时间维持稳定， 往往出现突然塌方现象。当立柱一侧的砂石料到达最大堆置高度， 而另一侧砂石料自卸形成的“ 漏斗” 又达极限深度时， 若斗壁突然塌方而使其作用于立柱的侧压力突然减小或卸荷， 就出现了最不利荷载情况， 此工况的水平料压为计算堆场中立柱的控制工况。作用于立柱两侧的砂石料压力均按库伦主动土压力计算，立柱一侧的料压高度为最大堆置高度，另一侧的料压高度根据卸料孔口的位置按砂石料的自然休止角（ 取内摩擦角） 与立柱的交点确定。立柱的挡料宽度，目前没有统一的规定， 根据对国内数座堆高 ２０～２５ｍ的砂石料堆场的设计实践， 按３倍的柱肢宽度取值较接近实际情况。

　　３．２ ．３ 结构内力计算

　　立柱在垂直和水平荷载的作用下， 根据卸料孔口的布置， 选择沿带式输送机轴线和垂直带式输送机轴线两个方向的平面桁架分别计算。立柱按底端固定，顶端自由计算， 计算简图见图４，立柱柱顶水平位移容许值为Ｈ／５００ 。

　　沿带式输送机轴线的平面桁架， 当其沿带式输送机轴线方向变形时， 上部的带式输送机钢桁架梁对其有一定的约束，此时，要求梁柱结合处的立柱顶面形成可承受水平荷载的平面桁（框）架。作用于水平桁（框）架的荷载按立柱底端固定，顶端铰支算得，如图５，６。

　　在堆场中带式输送机栈桥的结构设计中，料流压力的计算是重点，其取值直接影响到立柱的安全和正常使用。目前还没有既有理论依据又有实测资料的计算方法。长江勘测规划设计研究院设计了数座堆高20～30ｍ的砂石料堆场，并已全部投入运转使用，从各工程的堆场运行情况看，计算假定、计算模式、构造形式合理，计算变形接近实际变形情况，可以保证堆场的安全平稳运行。