文摘：本文介绍作者在江西某圆管带式输送机项目中桁架设计过程遇到的一些比较典型的难以处理的地段的具体情况及设计思路，如何突破原有思路限制，最终找到解决方案的过程。并对圆管带式输送机桁架的整体布置的一些经验进行了分析总结，指出一些桁架布置的要点和桁架整体设计需要注意的一些事项，为圆管带式输送机桁架设计扫除了障碍。

关键字：圆管带式输送机，设计思路，桁架布置要点，注意事项

圆管带式输送机（下文简称为管带机），作为一种特别适合长距离、陡峭、转弯的复杂地形布置，具有较好的经济性和实用性的散状物料输送形式。在国家对环境保护的要求下，由于管带机特别适用于输送对于环境具有污染性的物料，如煤炭、水泥、粉煤灰等，所以在国内，继90年代在日本普利斯通TPE公司（Bridgestone TPE CO. TLD;前身即JPC公司）引入管带机设计制造技术以后，又一次掀起了投资热潮。

由于管带机本身载荷较小，线路又长，对迎风面积比较敏感，经常需要对托辊等组件进行检修等特点，特别适合采用桁架结构。所以桁架在管带机中被广泛使用。我在江西某管带机项目中负责桁架结构的设计，经过我们专家的指点、同事的帮助、自己的计算，最终有一点心得体会，在这里与大家分享，有讲得不对或不到的地方还请大家指正。

下文中桁架与通廊都有，桁架内只走皮带，而通廊里面除了走皮带以外还走人，相对于桁架大一点，但结构与受力是相似的，所以一并讲述。

一、桁架的高度

对于一个管带机项目中的钢结构部分来讲，首先要确定桁架的高度，而桁架的高度决定于管带机项目的整体布局。整体布局非常重要，直接关系到项目成本的高低。一个整体布局良好的设计比一个不好的设计，在成本上节省10%是很正常的，这还只是设计和生产成本，还没加上备件及后期维护成本。

根据个人经验，我们在对桁架进行整体布局时，应遵循“直、平、缓、顺”的总体原则，对于个别位置如果存在特殊情况再去特殊处理。不能因一时一处的不好处理，而改变整体布局，使整体结构变差。事实上，特殊点的特殊处理是非常正常的情形，许多经典结构的出现，都是由于特殊位置或特殊情况而采取的非常规设计，从而给后续类似情况的处理树立了典型。我们应有一种大无畏的精神，过去设计条件那么艰苦可以做到，我们现在有了这么多工具软件的情况下，更应该能够做到。

本次项目主要遇到的特殊情况及可行处理方式有以下几种：

1、上下尺寸均受限的全封闭大跨度复线空间弧通廊

1）限制条件：

①线路上方有110kV高压线，下部有高速公路，由于安全限制通廊整体高度不能超过在4.5米。

②此处属于空间弧段，即在水平面上是一个完整的弧线，在竖直平面上是直线+弧线的形式。

③由于下面是调整公路，要求此处通廊必须全封闭。即通廊两侧及顶上需要包彩钢板，走道需要采用花纹钢板覆盖，通廊底部需要薄钢板封底。顶部彩钢板要考虑斜度，不能积水、积雪。

④由于跨过高速公路，所以施工时高速需要封闭。所以用户要求，一次性修好包括二期在内的第二条线路。

⑤由于线路斜跨高速，所以中间不能有支撑。公路是在堤坝上，堤坝20米以内不能立支撑，所以最终跨度为65米。由于前期曾同意在高速中间绿化带放一个支撑，通廊被分成两段，一段23米，一段42米，绿化带与通廊约45度斜交。两端已经打四腿支撑。但由于后来不同意加支撑，所以只能做成65米空间通廊。两端支撑许用载荷不够，需要补桩。（此处后来经交涉，又允许在绿化带加支撑了，所以出了两种方案。）

2）65米通廊方案设计：

①由于是复线，考虑到节约成本，初期考虑两条线做成一体，即一个通廊中间能两条管带机，两条管带机中间有维修通道。通廊外面加彩板封闭。为方便制作，通廊在竖直面上做成直线+弧线形式，水平面上通过加宽通廊宽度将通廊拉直。水平面通廊拉直，虽然通廊重量增加了，但能够有效的避免了通廊结构的复杂性，通廊的受力也比做成弧形要好很多。通廊宽度达到了7.2米，高度由于顶部彩钢板要做斜面，且需要做骨架，所以通廊最高只能做到4.2米高。通廊四根主弦杆采用HW450的H形钢。经手工粗算，挠度约1/200，远大于项目挠度不大于1/500的要求。最大应力只有4050MPa，即强度不是主要影响因素。

②在现有型材截面不能满足使用要求的条件下，打算采用钢材拼焊成型材。当截面加大到翼板50厚，腹板20厚，截面600高以后，挠度仍然只能达到1/350，再增加板厚除了增加整体重量以外，挠度不减反增。

③由于通廊要增加刚度主要是要增加高度，现在在高度受限的情况下，我们可能逆向思维：如果不能增加高度，我们是不是可以减小宽度？基于这种考虑，将原来初始并在一起的两条线路做成独立的两条线，两条线共用中间的维修通道。维修通道与两条线路之间采用铰连接，铰支座现场配焊。一是避免由于两条线路高低或间距不等导致安装不上。另外也避免由于一条线载荷较大导致走道框架变形。此时在保持②截面不变的情况下，两条线路中较宽的通廊受力较大，其挠度约为1/450。由于增加板厚仍不能降低挠度。经过反复思考，最终将原来的工字形截面改成了T形截面，挠度达到1/520，满足项目要求。

④除了③方案外，我们的专家提示，还可以考虑采用两端支撑点处立高塔悬吊的方案。即类似于现在长沙猴子石大桥一样的悬吊方案。如果这样做的话，不限于65米，跨度更大的通廊都可以采用。这种悬吊方案可以采用柔性索也可以采用刚性杆。相对来说，刚性杆的受力计算比柔性杆简单一些。

⑤除了④方案外，我们的专家提示，如果两端衔接的通廊如果还没做的话，我们还可以考虑将本段通廊与相邻两侧通廊连起来，然后在两侧通廊加配重的方式，将本段通廊挑起来。由于当时两端通廊已经设计完成并投入生产，所以本方案未进行详细设计。

3）分成两段通廊方案：

①因为中间有了支撑，最长一段只有42米，所以按上方案③中通廊弦杆的截面的话，挠度约为1/750，可以考虑将两条线路做到一起。初始方案打算将支撑两侧伸支臂出来的形式，这样通廊的受力会比较好。如果支撑形式复杂，受的扭力过大，可以考虑采用加高下部混凝土桩的高度，上部钢结构只做支座，且可以做成横梁形式。但是，由于公路绿化带比较窄，支撑或支座的梁不能伸出绿化带，否则会影响车辆通行。即，通廊分段处不能做成与线路垂直的形式。

②以绿化带中心线分段时，通廊两侧弦杆对于通廊纵向中心线是不等长的，而且此处是空间弧，通廊的受力也不均，容易造成通廊的扭曲变形。如果考虑两侧分成相同份数，然后对应节点拉梁方式的话，通廊受力会好一些。但是，由于通廊两头的端梁并不对称于通廊长度的中心，所以即使这样拉梁，通廊两侧面的受力仍然不在一处，仍然要受到扭力的作用。同时，会导致顶面与底面拉杆每一节之间都不一样，制作与安装都非常复杂。

③基于上述原因，还是从生产制作方便角度出发，采用平行于通廊垂直线路中心线一端端梁，平行拉梁的方式等间距布置节距，将短的一侧弦杆均分，长的一侧多出的两节端点直接与短弦杆一侧端点连接。为了抵抗其中产生的扭转的力矩，上下顶面、侧面的端头三节及中间两节均采用了十字交叉拉杆。经有限元计算，满足刚度和强度要求。

2、向下尺寸受限的大跨度单线立面弧通廊

1）限制条件

①此处线路刚好在水面上。距离水面高度不能小于500mm。

②此处为立面凹弧段，跨度为45米，桁架两侧支持位置距离水面距离亦小于1.2米，如果做钢结构支撑在桁架底部的话，支撑会沉在水中。

③此处条线路在总体设计时，桁架上表面是平齐的，高度差都放在桁架下部。如果单此处桁架加高的话，影响整体外观。同时会影响顶部彩板的安装。也就是说此处桁架最高只能做到2.7米。

④因为桁架在水面上，要考虑冰冻载荷的影响。即裏冰的重量，及裏冰后带来的迎风面积增加。

2）设计方案

①两端支点处，主管已经设计成吊点形式，吊点吊在桁架的上弦杆节点处。此处除吊点形式以外，也没找到更好的办法。

②按照已用型材，此处桁架按2.7米高，考虑到凹弧段受到皮带向上的提拉作用，受力及变形都会小一点，最长也只能做到36米。

③初期考虑能否将本段桁架做成鱼腹梁的形式，中间部分原来随顺圆弧凹下来的部分补齐，即实际中间部分桁架得到了加高，就可以满足桁架的强度与刚度要求。但经过计算发现，因为中部加高而引起的重量增加抵消了刚度的增加，即没有降低挠度。所以此方案不能实现。

④既然不能通过增加局部高度降低挠度，只能考虑将本段桁架缩短。于是考虑将两端所接的桁架均做成带悬臂的简支梁形式，即本段桁架的实际长度被分到两端桁架上。而两端桁架由于其在可负担长度范围有支撑点，所以也不是问题。

⑤在确定本段采用悬挂形式后，需要确定如何悬挂才能便于现场对正安装。初始打算采用两端弦杆处四点铰接，但四点铰接，最多对正两点，再多的话，就不容易对正安装。于是考虑只连接下部弦杆的铰点。由于本段是凹弧段，长度上的误差，可以通过在安装时，对桁架中间适当支撑来调整，所以安装不是问题。最后，考虑到销轴本身还是有间隙的，如果皮带运动起来后，可能会引起桁架的振动。考虑在桁架底部弦杆处销轴安装完成后，将本段桁架与两端桁架通过高强度螺栓进行连接。由于两端的桁架都是固定在底座上的，所以通过高强度螺栓与之连接，能够有效保证本段桁架在皮带运行的过程中不发生剧烈的振动。

从上述两段比较典型的特殊段最终解决方案可以看出，即使看来限制重重的条件，经过思考与计算还是有办法解决的，所以我们在设计管带机总体方案的时候，要让总体方案最合理，最简单，成本最低，其他局部的问题，总有办法解决。

当桁架总体布置完成后，选择桁架跨度最大，立面凸弧半径最小，水平转弯半径最小三种情况中有一种、二种甚至三种情况都有的桁架，选出这些桁架，在这些桁架中确定受力最大的桁架，如果这些桁架最终高度都差不多的情况下，以这些桁架里所需高度最大桁架的高度作为整个线路桁架的高度。如此就可以向下兼容所有桁架，使整条线路桁架高度一致。我们可以通过减少型材截面的方式，在不改变桁架外形尺寸的情况下，保证整条线路桁架的经济性。如果这些桁架最终高度差异很大，我们可以选择所需高度相近桁架里面高度最高的一个。而最高的桁架可以考虑做成通廊形式，在通廊里面再包含一个小截面型材的桁架与相接桁架等高就可以了。

二、桁架的跨度

桁架的跨度，目前业内常用跨度为6米、12米、24米、30米、36米。我们一般都是在这个里面选一个跨度来进行设计。我们的专家就提示我们，为什么要按这个跨度来做？对于我们有没有利？这个跨度并不是强制要求，而且这些跨度实际并不适合我们。

为什么这么说呢？因为对于我们来说，跨度第一取决于现在市面上容易获得型材的最大型号。型材型号越大，跨距越大，支撑越少，成本越低。第二取决于运输极限。不同运输线路和运输形式有不同的运输极限。运输极限决定了我们的桁架单段的最大长度。第三取决于我们桁架的分段。由于桁架一旦超出运输界限就必须进行解体。而桁架弦杆的应力最大点在桁架的中点，所以解体的时候必须要避开最大点。按照经验，解体位置要在中点旁边两节以外。那么这时候一般会将桁架解体成一大一小两节或三节的形式。如果考虑到运输车辆的合理利用，那么最经济的方式就是一长节等于两短节长度，或三节等长。如果型材供给长度为12米的话，那么，桁架最合理的跨度是24米或36米。解体时，24米桁架解体成12米、6米、6米，36米桁架解体成12米、12米、12米的形式。而不是现在一般采用的17米、7米、形式，这样虽然可以用最大的挂车，但是桁架本身重量并不重，而且一辆装了17米，另一辆只能装14（7+7）米，并不是最优角。至于有人说利用空隙装其他部件，因为桁架空隙比较多，并不需要专门留出这个长度。这时，24米跨度和36米跨度就是合理的。但如果型材供给时是9米，那么桁架的合理跨度就是18米和27米。所以这个跨度是要综合考虑三个条件要求来确定的。

另外，我们还要考虑桁架的使用情况。一般来说，如果是在地面，或距地面不高的情况下，我们可以考虑跨度小一点。在一些项目中4米、6米、8米、12米、16米的情况都看到过。因为桁架距地面比较近，支撑比较矮，甚至只要在混凝土上做一个连接板就可以的话，加支撑的成本比较低。这样桁架型材截面就可以比较小，成本可以大幅度降低。如果是离地面比较高的话，我们就需要跨度相对来说大一点，这样，支撑就会相对少一些，总的来说会比较经济。这里桁架跨度大概在30米左右为宜。具体尺寸，还要综合前面我们提到的三个条件。

三、桁架的宽度

桁架的宽度主要取决于管带机的管径、桁架隔板的形式、托辊的安装形式。一般不会在桁架内部增加功能性结构，尽量让桁架的宽度窄一些，因为宽度意味着重量，重量即成本。

管径这一点没什么好说的，这是总体设计决定的。

隔板的形式，目前常见的有钢板折弯式、格构式以及钢板与格构组合的混合式三种。一般说来，钢板折弯式比较适合低矮、短小的桁架。此时钢板折弯具有明显的优势：隔板形式统一，可以批量化生产，成本相对较低，隔板互换性强，备件较少。而格构式隔板比较适合桁架位置相对较高，跨度较大，对迎风面积比较敏感的情况。而混合式一般是在特殊位置，由于功能的需要，对两种结构进行了组合。比如在安装检测开关等位置。

格构式隔板桁架的宽度取决于两竖直边型材的尺寸宽度。而折弯式隔板一般也是按等厚型材的宽度来确定的。

托辊的安装形式，这里是指每个隔板每个皮带通过孔安装的托辊数量和形式。一般管带机都是采用6组托辊的形式，过去还有4组、8组托辊的形式。托辊的安装形式及其位置决定了其所需空间的大小，间接决定了桁架的宽度。

四、桁架的具体结构

桁架的具体结构要提到的一点就是尽量不要做奇数节、不等间距桁架。奇数节桁架中间的一节实际上是作为共用节的，但如果没有对应方向的拉杆的话，受力就会中断，桁架受力不对称，导致桁架提前破坏。而不等间距会引起桁架内部应力的不均匀，如果不能够对应改变型材截面大小的话，就会造成桁架内部应力突变，而导致桁架提前破坏。

桁架受力的变化规律是：桁架的弦杆由两端向中间，逐渐增大，而腹杆由两端向中间逐渐减小。这也就是为什么经常有人在桁架安装时长了将桁架直接截短使用后容易导致早期破坏的原因。如果没有破坏那是因为桁架设计的余量比较大，而不是这种做法是正确的。这个都可以在有限元计算中非常清晰的模拟出来。

以上就是我在管带机中设计桁架的一点心得，还有在专家那里请教来现学现卖的一点知识，希望能够对大家有所帮助。谢谢！

参考文献：

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[2]陶靓良.大跨度空间钢结构的概念设计与结构探索[J].建筑工程技术与设计.2014，（13）.207-207.

[3]周明峰，孟文俊.基于APDL的圆管带式输送机桁架梁优化设计[J].起重运输机械.2013，（11）.17-20.

作者简介：赵勇（1980-），男，大专，汉族，现主要从事设计方面的工作。