鸟嘴节点桁架在水泥厂封闭皮带输送栈桥中的应用研究

鸟嘴节点桁架在水泥厂封闭皮带输送栈桥中的应用研究

白天衡，曹勇，程雅蒙，朱金山[中国中材国际工程股份有限公司(南京),江苏南京211100]

来源：《水泥工程》

0前言

输送栈桥作为水泥生产线必不可少的组成部分，在整个水泥生产系统中发挥着重要的作用，主要用于输送原材料、燃料、熟料以及水泥，为整个生产系统的正常运行提供了重要保证。目前在水泥生产线中输送廊道桁架上、下弦主要采用H型钢、圆管或角钢，考虑到型钢和角钢结构栈桥的结构设计、现场焊接技术以及施工方案等都较为成熟，已形成了一个相对完整的体系，通过设计和施工方法上的突破来达到结构轻量化、美观化的可能性较小。但由于水泥厂项目的输送总长度能达到数公里，部分甚至能达到十几公里，用钢量十分可观，为突破行业发展，提高市场竞争能力，研究采用鸟嘴节点的新型栈桥结构形式，具有创新性和现实意义。

1鸟嘴式节点介绍

鸟嘴式节点作为一种新型方钢管相贯节点，如图1(a)所示，在传统正放式方钢管节点的基础上，将杆件沿自身轴线进行旋转后，其形状便酷似鸟嘴，

鸟嘴式节点因此而得名。根据杆件的旋转方式不同，鸟嘴式节点可细化分为方型鸟嘴式节点[图1b)]和钻石型鸟嘴式节点[图1(c)]。在输送栈桥中，

钢桁架上弦、下弦杆件可作为鸟嘴式节点主管，竖腹杆、斜腹杆可作为鸟嘴式节点支管，方型鸟嘴式节点仅主管沿自身轴线旋转，而钻石型鸟嘴式节点则是主管和支管均沿自身轴线旋转。

/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/e8661bac335.png2鸟嘴节点桁架设计分析

2.1鸟嘴节点力学性能分析

建立图2有限元模型，对比圆管节点和方管节点的力学性能。

/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/a77bc3a2492.png/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/d7bdfda0447.png根据表1数值对两种类型圆管和方管进行加载，得出图3所示结果：方管节点极限承载力：153 kN;圆管节点极限承载力：124kN;方管节点刚度：31kN/mm;圆管节点刚度：28kN/mm。在荷载位移相等的情况下，方管节点承载力、刚度比同等重量的圆管节点分别提升23.4%和10.7%。由此可见，方管节点的承载力、刚度均明显优于圆管节点。/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/42dde929926.png

同时，从图4和图5弹性状态和极限状态的应力分布来看，采用方管的主管管壁应力小于采用圆管的主管管壁应力，但同时应注意方管节点的应力集中现象较为明显。从图6破坏模式来看，节点的破坏主要表现为支主管连接区域的主管管壁的面外变形，因此，节点的刚度、承载力很大程度上取决于该区域主管的管壁抗弯刚度。

/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/e23fff81513.png/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/93808bf0371.png综上可以得出，从承载力、刚度、应力分布及变形等各项力学性能指标来看，在节点同等重量的情况下，方管节点的力学性能明显优于圆管节点。

2.2鸟嘴节点桁架轴向刚度分析

以18 m标准跨度钢桁架为例，根据等截面积代换原理，将型钢节点替换成方型鸟嘴式节点，弦杆构件底部固接，腹杆端部施加轴向位移荷载，计算对比分析两种T型节点轴向刚度。

从图7计算结果所得的节点荷载位移曲线可以看出，在截面相等的情况下，鸟嘴节点的轴向刚度明显要比型钢节点的轴向刚度大，此例中，型钢节点的轴向刚度为2167 kN/mm,而鸟嘴节点的轴向刚度为2344 kN/mm,相比之下，刚度提高了8%。

/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/2fec7636610.png2.3鸟嘴节点桁架与型钢桁架平面计算对比分析

型钢桁架结构设计，将整个桁架结构考虑成铰接模型进行计算，该模型无法考虑节点的轴向刚度，也无法体现出鸟嘴节点在刚度上的优势。如图8所示，按前文所述计算假定，采用杆件端部施加弹簧连接的方式体现节点的轴向刚度，弹簧沿杆件方向的刚度取节点的轴向刚度。同时，型钢桁架结构中外部压型钢板与桁架通过檩条相连接，压型钢板在桁架受力方面并没有做出贡献。在鸟嘴节点桁架中，由于腹杆是方管截面，可以保证腹杆截面在同一水平面，将压型钢板与腹杆直接连接，可以有效发挥钢板的蒙皮效应，提升整个桁架的承载能力。

/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/21f89906488.png经过计算，通过表2型钢桁架平面内计算与表3鸟嘴节点桁架平面内计算对比数据可以发现，鸟嘴节点桁架在考虑节点刚度提升及蒙皮效应后，主要受力杆件轴力减小10%~20%,应力降低10%以上，理想设计状态下自身重量也有所减轻。/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/c4b64862279.png

2.4鸟嘴节点桁架与型钢桁架空间计算对比分析

基于上述鸟嘴节点桁架的设计计算假定，对于15,18,21,24m这四种不同跨度桁架进行计算对比分析，具体替换方案和设计研究如下：

(1)主平面桁架的上下弦杆由H型钢替换为方钢管，方钢管绕轴线旋转45°,腹杆由圆管更换为方钢管；

(2)取消条檩条，将走廊两侧的压型钢板与腹杆直接焊接；

(3)屋面、走道等斜撑由角钢替换为方钢管；

(4)其余构件类型与原方案保持一致；

(5)荷载加载，见表4。

/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/da76ccf6189.png按照上述设计假定条件，对15,18,21,24m这四种跨度鸟嘴节点桁架与型钢桁架进行计算分析，通过图9对计算结果进行对比，可发现在理想设计状态下，鸟嘴节点桁架对比型钢桁架的用钢量有所减轻，鸟嘴节点桁架下弦杆应力与型钢桁架基本持平，但上弦杆应力明显降低，降低幅度在10%,同时在压型钢板的蒙皮效应下，鸟嘴节点桁架的腹杆应力降低在20%,桁架挠度所产生位移量降低在30%。

/UploadPath/uploadfile/2024/02/04/4af0a22f609.png综合桁架在平面内与空间内的计算对比分析可以得出，鸟嘴节点桁架结构设计体系，可取消桁架两侧墙面檩条，将压型钢板与腹杆直接相连，能够充分发挥压型钢板的蒙皮效应，桁架受力性能得到提升，桁架自身的承载能力和抗震能力得到提高。对比传统型钢桁架设计体系，通过在平面内、空间内进行计算和对比分析，在理想的设计状态下，鸟嘴节点桁架重量有所减轻，弦杆应力降低10%,腹杆应力降低20%,桁架挠度所产生的位移降低30%,并且在理想的设计状态下也会减轻一定的自重。

3鸟嘴节点桁架设计应用

基于本文研究，选取某项目厂区内一段输送进行施工图设计，在实践中验证鸟嘴节点钢桁架在实际工程中的用钢量、施工周期、经济效益以及实际视觉效果等各项性能指标。在项目实践中，对常用标准跨18,21,24,27,30,33,36m共计7种跨度鸟嘴节点桁架进行设计试算和研究对比分析。

经过对不同跨度桁架进行设计计算，桁架采用鸟嘴式节点和方钢管结构，取消桁架两侧檩条，腹杆采用相同外径的方钢管，将压型钢板与桁架结构紧密连接，能够发挥钢板蒙皮效应，桁架受力性能得到提升，桁架承载能力和抗震能力均得到了有效地提高。如图10对安徽珍珠项目不同跨度鸟嘴节点桁架进行汇总对比分析，可以得出，对于18~36m常用标准跨鸟嘴节点桁架，桁架主要受力构件应力比可控制在0.7~0.8之间，桁架挠度限制可控制在跨度的1/800之上，均明显低于结构设计规范容许值。

结合安徽珍珠项目场地特征和项目特点，输送廊道沿线布置需避让原有建筑，以及考虑地下管线影响，现选取33m鸟嘴节点钢桁架为主要跨度进行施工图设计，图11为33m鸟嘴节点钢桁架输送立面图。

同时，在施工图设计中鸟嘴节点桁架上下弦杆设计为方钢管结构，方钢管绕轴线旋转45°,腹杆由圆管更换为方钢管，便于与墙板进行可靠连接，对于屋面、走道的斜撑则由角钢替换为方钢管。同时，取消桁架两侧墙面檩条，将走廊两侧的压型钢板与腹杆采用铆钉方式直接连接，为保证墙面压型钢板在受力过程中不发生局部失稳，增加三道加劲肋进行平面外屈曲约束，同时中间一道加劲肋采用稍大一级规格的方钢管结构，亦可采取相应措施用于支撑建筑扶手使用。

4结语

本文通过对鸟嘴式节点和鸟嘴节点桁架进行综

合研究分析，得出如下结论：

(1)鸟嘴节点在荷载位移相等的情况下，其承载力、刚度比同等重量的圆管节点分别提升23.4%和10.7%;在截面相等的情况下，鸟嘴节点的轴向刚度要比型钢节点的轴向刚度提高8%,故方管鸟嘴节点在力学性能上优于传统型钢节点，更加符合抗震设计中“强节点弱构件”的设计原则；

(2)鸟嘴节点桁架结构设计体系，可取消桁架两侧墙面檩条，将压型钢板与腹杆直接相连，能够充分发挥压型钢板的蒙皮效应，桁架受力性能得到提升，桁架自身的承载能力和抗震能力得到提高。对比传统型钢桁架设计体系，通过在平面内、空间内进行计算和对比分析，在理想的设计状态下，鸟嘴节点桁架重量有所减轻，弦杆应力降低10%,腹杆应力降低20%,桁架挠度所产生的位移降低30%,桁架整体承载能力提高，挠度降低，抗震性能提高；

(3)鸟嘴节点桁架应用于试点项目，腹杆可使用相同外径的方钢管，并采用铆钉方式将压型钢板与腹杆紧密连接，桁架整体刚度和协调性得到提高，桁架弦杆最大应力比在0.7~0.8之间，桁架挠度所产生的位移量在桁架跨度的1/800之上，设计指标均明显低于结构设计规范容许值；

鸟嘴节点桁架在施工中的难易程度、施工周期、经济效益以及其他各项性能指标，还需要在实际工程中去验证、总结和评价。

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