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【摘 要】 本文介绍了一种新的堆料设计理念而非传统的悬臂皮带机堆料模式。在露天料场上方设立大型转运站横跨于料堆之上，通过转运站实现皮带机自卸料功能，同时可将物料分别运送到两处甚至多处不同的堆料场。针对这种类型的转运站设计，提出容易出现的问题和难题的解决方法。根据皮带机桁架钢结构特性、结构力学及钢结构设计规范，分析了此类型转运站的特点，并且利用有限元软件对结构进行计算分析，研究此类型转运站对带式输送机实现多点卸料具有重要的指导意义。
【关键词】 皮带自卸料;多点卸料;转运站横跨料堆;计算分析;有限元软件
一、转运站的设计概述
1.TH06转运机房是为了满足单条皮带机给两处料场卸料而设计的。以往的皮带给料场卸料是单点堆料，或者利用两条或者多条皮带机给多个不用的卸料点卸料，每条皮带机采用悬臂的方式，将物料堆在正下方，形成圆锥形料堆。TH06转运站通过将皮带机架高，利用三通和溜管实现改向功能，物料既可以在此处转运点卸料，也可以自行回落到皮带机上，去往下一处卸料点。为了实现皮带机卸料功能，将皮带机头部漏斗落料点设计在转运机房中部，依靠重力作用在料场进行堆料，在转运机房正下方形成圆锥型料堆。由于机房横跨圆锥料堆正上方，因此要求跨距比较大，最大跨距达20米。为了实现皮带自卸料功能，将转运站设计成两层，皮带经过上层的漏斗和三通，可将物料分别卸给料场或者再回到本条皮带，设计示意图如下：
二、转运站结构与力学模型
TH06转运站全部由型钢和钢板焊接或栓接而成。机房长26米，宽8米，高16米，总共分成3层，最大跨距20米。其中在4.6米平面（一层）和9.8米平面（二层）布置布置有一条皮带输送机，在16米平面（三层）一台起重量5吨的电动葫芦。
1.计算载荷及工况组合
图1 TH06转运机房示意图
（1）计算载荷种类
1.1结构自重：转运站钢结构重量;
1.2部件重量：转运站上所安装的皮带机的部件重量;
1.3物料载荷;
1.4皮带机输送带的张力;
1.5廊道作用力：转运站支撑的廊道作用力;
1.6风载和地震载荷;
1.7活荷载：考虑转运站上人情况与检修设备的载荷。
（2）载荷组合：按四种工况组合
DL–恒荷载LD–活荷载WL–风荷载TL–温度荷载SL–地震作用
工况Ⅰ：皮带机满载启动+工作风载工况。1.35DL+1.3LD+0.6*1.4WL
工况Ⅱ：皮带机正常工作+地震工况。1.2DL+1.3SL
工况Ⅲ：皮带机非工作+非工作风载工况。1.2DL+0.7*1.4LD+1.4WL++0.7*1.2TL
工况Ⅳ：皮带机正常工作+工作风载工况。1.2DL+1.4LD+0.6*1.4WL
（3）相关数据
1）风载：设计风速，47m/S
2）地震载荷：水平地震影响系数：0.12
3）温度荷载：结构所处环境温差最大值为37.1℃度，整个结构的温度分布均匀的。钢材材料线膨胀系数为β=1.2x10-5，混凝土材料线膨胀系数为β=1.0x10-5。
4）材料特性
结构采用钢材型号均为Q235-B，弹性模量E为210Gpa，泊松系数为0.3，密度均为7.85×103kg/m3。这种钢材的屈服应力σs及破坏应力σb如表1所示。
表1 钢材的力学特性
材料牌号 σs（Mpa） σb（Mpa）
Q235B 235 410
5）设计指标：
Q235钢材强度设计值：f=205N/mm2
构件变形许用值：1/500
屋顶最大侧移：1/500
（4）分项系数：
永久载荷：1.35（恒载控制时）;1.2（可变载荷控制时）;
可变载荷：1.4;地震作用：1.3
2.结构类型：空间钢架。结构是由多种型钢杆件和钢板组合成的空间结构，受有三维方向的力和弯矩作用，根据结构特点和受力情况，计算时各杆件均等效为三维弹性梁单元。结构通过立柱下面的支座用螺栓与结构预埋件联接，固定在地基基础上。有限元分析时将与地基联接点均约束，共有6个点，每个点的六个自由度全部约束，即：X、Y、Z三个方向的线位移和X、Y、Z三个方向的角位移。图2是计算模型图
图2 TH06转运机房计算模型图
3.相关载荷计算和分配
1）恒荷载
a.设备载荷：皮带机及驱动相关设备。
b.左端桁架传递恒载：Fz=-76.2kN（单轴）。
右端桁架传递恒载：Fz=-44.5kN（单轴）。
c.屋顶和楼面的外装：屋顶外装为25kg/m2，楼面外装为20kg/m2。
d.电动葫芦：5T。转运站楼板自重按照混凝土层500kg/m2计算。
2）可变荷载：
a.活荷载：楼面活荷载200kg/m2，积灰125kg/m2。
b.皮带机载荷：承载分支皮带张力：80KN。
回程分支胶带张力：65KN。
c.左端桁架传递活载：Fz=-9kN（单轴）。
右端桁架传递活载：Fz=-5.3kN（单轴）。
d.物料活载：10.3平面共计23KN。
15.5平面共计15.8KN。
3）风荷载：设计风速，47m/S
风压标准值ωk=βzμsμzω0（GB50009-2001）βz取1.0 楼面μs迎风面为0.8，背风面为-0.5;
屋顶μs迎风面为-0.6，背风面为-0.5
μz取1.2 ω0=790N/m2
根据以上数据加载到模型之中进行计算。
4.计算结果
4.1强度
计算结果：各种工况情况下最大应力值为86.85Mpa。转运站钢结构各种荷载组合的全部构件截面特性、内力、强度计算应力和构件稳定性校核应力。全部构件工作应力均小于设计值。
4.2刚度
转运站垂直方向最大变形14.6mm，水平方向最大变形10.8mm，结构刚度满足要求，图3是TH06钢结构垂直方向变形图
图3 TH06转运机房垂直方向变形图
三、转运站设计时要注意的几个问题
1.TH06转运机房与以往的转运机房不同，因为TH06机房的柱间跨距比较大，因此考虑到计算过程中可能存在大变形的可能。因此要着重解决其变形问题。连接最大跨距的两个立柱的钢梁要进行特殊选择，多次选取对比各种方案。既要满足设计安全性也要考虑经济实用性。通过计算发现，第一层和第二层的外侧梁的受力情况不同，因此不必选用相同的型材，第二层可以适当降低型材截面大小。由于转运站中的皮带机比较重，因此为了避免次梁由于主梁的变形过大导致整体位移过大，对于主梁采用宽翼缘的H型钢，增大弱轴的截面模量，减少由于皮带机自重等因素导致的主梁的扭转变形量。
2.机房材料的选用，设计钢结构机房一般常用的钢材为Q235B和Q345B，这个机房由于跨度比较大，其中的受力情况和以往的转运机房相差不大，因此分析其主要进行的是刚度校核。提高梁刚度的一般方法为增大主梁的截面惯性矩，因为各类钢材的弹性模量E的数值极为接近，所以采用优质钢材对提高抗弯刚度意义不大。因此采用相对便宜的Q235B的钢材即可。
3.机房计算时确定载荷工况，应充分考虑工作工况和非工作工况的区别。机房不同与其它的建筑钢结构，机房内的胶带输送机的水平张力应是可变荷载效应控制的主要载荷，当张力较大时，它控制着结构计算的载荷，所以在胶带张力与风载、地震载荷作工况组合时，应区别胶带机工作和非工作两种情况。
参考文献：
[1]钢结构设计规范 GB50017-2003 中国计划出版社，2003.10
[2]刘相新.ANSYS基础与应用教程.科学出版社，2006.3
[3]工程力学和结构力学
【关键词】 皮带自卸料;多点卸料;转运站横跨料堆;计算分析;有限元软件
一、转运站的设计概述
1.TH06转运机房是为了满足单条皮带机给两处料场卸料而设计的。以往的皮带给料场卸料是单点堆料，或者利用两条或者多条皮带机给多个不用的卸料点卸料，每条皮带机采用悬臂的方式，将物料堆在正下方，形成圆锥形料堆。TH06转运站通过将皮带机架高，利用三通和溜管实现改向功能，物料既可以在此处转运点卸料，也可以自行回落到皮带机上，去往下一处卸料点。为了实现皮带机卸料功能，将皮带机头部漏斗落料点设计在转运机房中部，依靠重力作用在料场进行堆料，在转运机房正下方形成圆锥型料堆。由于机房横跨圆锥料堆正上方，因此要求跨距比较大，最大跨距达20米。为了实现皮带自卸料功能，将转运站设计成两层，皮带经过上层的漏斗和三通，可将物料分别卸给料场或者再回到本条皮带，设计示意图如下：
二、转运站结构与力学模型
TH06转运站全部由型钢和钢板焊接或栓接而成。机房长26米，宽8米，高16米，总共分成3层，最大跨距20米。其中在4.6米平面（一层）和9.8米平面（二层）布置布置有一条皮带输送机，在16米平面（三层）一台起重量5吨的电动葫芦。
1.计算载荷及工况组合
图1 TH06转运机房示意图
（1）计算载荷种类
1.1结构自重：转运站钢结构重量;
1.2部件重量：转运站上所安装的皮带机的部件重量;
1.3物料载荷;
1.4皮带机输送带的张力;
1.5廊道作用力：转运站支撑的廊道作用力;
1.6风载和地震载荷;
1.7活荷载：考虑转运站上人情况与检修设备的载荷。
（2）载荷组合：按四种工况组合
DL–恒荷载LD–活荷载WL–风荷载TL–温度荷载SL–地震作用
工况Ⅰ：皮带机满载启动+工作风载工况。1.35DL+1.3LD+0.6*1.4WL
工况Ⅱ：皮带机正常工作+地震工况。1.2DL+1.3SL
工况Ⅲ：皮带机非工作+非工作风载工况。1.2DL+0.7*1.4LD+1.4WL++0.7*1.2TL
工况Ⅳ：皮带机正常工作+工作风载工况。1.2DL+1.4LD+0.6*1.4WL
（3）相关数据
1）风载：设计风速，47m/S
2）地震载荷：水平地震影响系数：0.12
3）温度荷载：结构所处环境温差最大值为37.1℃度，整个结构的温度分布均匀的。钢材材料线膨胀系数为β=1.2x10-5，混凝土材料线膨胀系数为β=1.0x10-5。
4）材料特性
结构采用钢材型号均为Q235-B，弹性模量E为210Gpa，泊松系数为0.3，密度均为7.85×103kg/m3。这种钢材的屈服应力σs及破坏应力σb如表1所示。
表1 钢材的力学特性
材料牌号 σs（Mpa） σb（Mpa）
Q235B 235 410
5）设计指标：
Q235钢材强度设计值：f=205N/mm2
构件变形许用值：1/500
屋顶最大侧移：1/500
（4）分项系数：
永久载荷：1.35（恒载控制时）;1.2（可变载荷控制时）;
可变载荷：1.4;地震作用：1.3
2.结构类型：空间钢架。结构是由多种型钢杆件和钢板组合成的空间结构，受有三维方向的力和弯矩作用，根据结构特点和受力情况，计算时各杆件均等效为三维弹性梁单元。结构通过立柱下面的支座用螺栓与结构预埋件联接，固定在地基基础上。有限元分析时将与地基联接点均约束，共有6个点，每个点的六个自由度全部约束，即：X、Y、Z三个方向的线位移和X、Y、Z三个方向的角位移。图2是计算模型图
图2 TH06转运机房计算模型图
3.相关载荷计算和分配
1）恒荷载
a.设备载荷：皮带机及驱动相关设备。
b.左端桁架传递恒载：Fz=-76.2kN（单轴）。
右端桁架传递恒载：Fz=-44.5kN（单轴）。
c.屋顶和楼面的外装：屋顶外装为25kg/m2，楼面外装为20kg/m2。
d.电动葫芦：5T。转运站楼板自重按照混凝土层500kg/m2计算。
2）可变荷载：
a.活荷载：楼面活荷载200kg/m2，积灰125kg/m2。
b.皮带机载荷：承载分支皮带张力：80KN。
回程分支胶带张力：65KN。
c.左端桁架传递活载：Fz=-9kN（单轴）。
右端桁架传递活载：Fz=-5.3kN（单轴）。
d.物料活载：10.3平面共计23KN。
15.5平面共计15.8KN。
3）风荷载：设计风速，47m/S
风压标准值ωk=βzμsμzω0（GB50009-2001）βz取1.0 楼面μs迎风面为0.8，背风面为-0.5;
屋顶μs迎风面为-0.6，背风面为-0.5
μz取1.2 ω0=790N/m2
根据以上数据加载到模型之中进行计算。
4.计算结果
4.1强度
计算结果：各种工况情况下最大应力值为86.85Mpa。转运站钢结构各种荷载组合的全部构件截面特性、内力、强度计算应力和构件稳定性校核应力。全部构件工作应力均小于设计值。
4.2刚度
转运站垂直方向最大变形14.6mm，水平方向最大变形10.8mm，结构刚度满足要求，图3是TH06钢结构垂直方向变形图
图3 TH06转运机房垂直方向变形图
三、转运站设计时要注意的几个问题
1.TH06转运机房与以往的转运机房不同，因为TH06机房的柱间跨距比较大，因此考虑到计算过程中可能存在大变形的可能。因此要着重解决其变形问题。连接最大跨距的两个立柱的钢梁要进行特殊选择，多次选取对比各种方案。既要满足设计安全性也要考虑经济实用性。通过计算发现，第一层和第二层的外侧梁的受力情况不同，因此不必选用相同的型材，第二层可以适当降低型材截面大小。由于转运站中的皮带机比较重，因此为了避免次梁由于主梁的变形过大导致整体位移过大，对于主梁采用宽翼缘的H型钢，增大弱轴的截面模量，减少由于皮带机自重等因素导致的主梁的扭转变形量。
2.机房材料的选用，设计钢结构机房一般常用的钢材为Q235B和Q345B，这个机房由于跨度比较大，其中的受力情况和以往的转运机房相差不大，因此分析其主要进行的是刚度校核。提高梁刚度的一般方法为增大主梁的截面惯性矩，因为各类钢材的弹性模量E的数值极为接近，所以采用优质钢材对提高抗弯刚度意义不大。因此采用相对便宜的Q235B的钢材即可。
3.机房计算时确定载荷工况，应充分考虑工作工况和非工作工况的区别。机房不同与其它的建筑钢结构，机房内的胶带输送机的水平张力应是可变荷载效应控制的主要载荷，当张力较大时，它控制着结构计算的载荷，所以在胶带张力与风载、地震载荷作工况组合时，应区别胶带机工作和非工作两种情况。
参考文献：
[1]钢结构设计规范 GB50017-2003 中国计划出版社，2003.10
[2]刘相新.ANSYS基础与应用教程.科学出版社，2006.3
[3]工程力学和结构力学