管桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

【關(guān)鍵詞】管桁架；受力；結(jié)構(gòu)計(jì)算；截面尺寸的影響 

　　近年來(lái)，隨著我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)，鋼結(jié)構(gòu)以其自身的優(yōu)勢(shì)，在建筑中所占的比例越來(lái)越大，鋼管結(jié)構(gòu)也取得較大的突破。鋼管結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是能將人們對(duì)建筑物的功能要求、感觀要求以及經(jīng)濟(jì)效益要求完美地結(jié)合在一起。鋼管結(jié)構(gòu)中的管桁架結(jié)構(gòu)以它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到人們的青睞。 

　　1、管桁架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn) 

　　管桁架，是指用圓桿件在端部相互連接而組成的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的開口截面（H型鋼和I字鋼）鋼桁架相比，管桁架結(jié)構(gòu)截面材料繞中和軸較均勻分布，使截面同時(shí)具有良好的抗壓和抗彎扭承載能力及較大剛度，不用節(jié)點(diǎn)板，構(gòu)造簡(jiǎn)單；制作安裝方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、屋蓋剛度大�？臻g三角形鋼管桁架在受到豎向均布荷載作用的時(shí)候，表現(xiàn)出腹桿抗剪、弦桿抗彎的受力機(jī)理。弦桿軸力的主要影響因素是截面的高度，而豎面斜腹桿軸力的主要影響因素是豎面腹桿與豎直線的傾角，水平腹桿在豎向荷載作用下的受力較小，但是如果受到明顯的扭矩作用的話，必須考慮適當(dāng)加大其截面尺寸。 

　　2、管桁架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計(jì)算 

　　2.1設(shè)計(jì)基本規(guī)定 

　　立體桁架的高度可取跨度的1/12～1/16；立體拱架的拱架厚度可取跨度1/20～1/30，矢高可取跨度的1/3～1/6。弦桿（主管）與腹桿（支管）及兩腹桿（支管）之間的夾角不宜小于30°。當(dāng)立體桁架跨度較大（一般認(rèn)為不小于30m鋼結(jié)構(gòu)）時(shí)，可考慮起拱，起拱值可取不大于立體桁架跨度的1/300（一般取1/500）。此時(shí)桿件內(nèi)力變化“較小”，設(shè)計(jì)時(shí)可按不起拱計(jì)算。管桁架結(jié)構(gòu)在恒荷載與活荷載標(biāo)準(zhǔn)作用下的最大撓度值不宜超過(guò)短向跨度的1/250，懸挑不宜超過(guò)跨度1/125。對(duì)于設(shè)有懸掛起重設(shè)備的屋蓋結(jié)構(gòu)最大撓度不宜大于結(jié)構(gòu)跨度的1/400。當(dāng)僅為改善外觀要求時(shí)，最大撓度可取恒荷載與活荷載標(biāo)準(zhǔn)作用下?lián)隙葴p去起拱值。一般情況下，按強(qiáng)度控制面而選用的桿件不會(huì)因?yàn)榉N種原因樣的剛度要求而加大截面。 

　　2.2一般計(jì)算原則 

　　管桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行重力荷載及風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力、位移計(jì)算，并應(yīng)根據(jù)具體情況，對(duì)地震、溫度變化、支座沉降及施工安裝荷載等作用下的位移、內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)力和位移可按彈性理論，采用空間桿系的有限元方法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)非抗震設(shè)計(jì)，作用及作用組合的效應(yīng)應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，在桿件截面及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)按作用基本組合的效應(yīng)確定內(nèi)力設(shè)計(jì)值；對(duì)抗震設(shè)計(jì)，地震組合的效應(yīng)應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，在位移驗(yàn)算中，應(yīng)按作用標(biāo)準(zhǔn)組合的效應(yīng)（不乘荷載分項(xiàng)系數(shù)）的效應(yīng)確定其撓度。分析管桁架時(shí)，當(dāng)桿件的節(jié)間長(zhǎng)度與截面高度（或直徑）之比小于12（主管）和24（支管）時(shí)，也可假定節(jié)點(diǎn)為鉸接。外荷載可按靜力等效原則將節(jié)點(diǎn)所轄區(qū)域內(nèi)的荷載集中作用在該節(jié)點(diǎn)上。當(dāng)桿件上作用有局部荷載時(shí)，應(yīng)另行考慮局部彎曲應(yīng)力的影響。結(jié)構(gòu)分析時(shí)，應(yīng)考慮上部空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)于下部支承結(jié)構(gòu)的相互影響；另外應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、支座節(jié)點(diǎn)的位置、數(shù)量和構(gòu)造情況以及支承結(jié)構(gòu)的剛度，確定合理的邊界約束條件。支座節(jié)點(diǎn)的邊界約束條件，應(yīng)按實(shí)際構(gòu)造采用無(wú)側(cè)移或一側(cè)可側(cè)移的鉸接支座或彈性支座。 

　　2.3靜力計(jì)算 

　　管桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)經(jīng)過(guò)位移、內(nèi)力計(jì)算后進(jìn)行桿件截面設(shè)計(jì)，如桿件截面需要調(diào)整應(yīng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)后，桿件不宜替換，如因備料困難等原因必須進(jìn)行桿件替換時(shí)，應(yīng)根據(jù)截面及剛度等效的原則進(jìn)行，被替換的桿件應(yīng)不是結(jié)構(gòu)的主要受力桿件且數(shù)量不宜過(guò)多（通常不超過(guò)全部桿件的5%），否則應(yīng)重新校核。分析管桁架結(jié)構(gòu)因溫度變化而產(chǎn)生的內(nèi)力，可將溫差引起的桿件固端反力作為等效荷載反向作用在桿件兩端節(jié)點(diǎn)上，然后按有限元法分析。 

　　2.4抗震計(jì)算 

　　在單維地震作用下，進(jìn)行多遇地震作用下的效應(yīng)計(jì)算時(shí)，可采用振興分解反應(yīng)譜法，對(duì)于體形復(fù)雜或重要的大跨度結(jié)構(gòu)應(yīng)采用時(shí)程分析進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。采用時(shí)程分析法時(shí)，應(yīng)按建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于兩組的實(shí)際強(qiáng)震記錄和一組人工模擬的加速度時(shí)程曲線，其平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振形分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。加速度曲線峰值應(yīng)根據(jù)與抗震設(shè)防烈度相應(yīng)的多遇地震的加速度時(shí)程曲線最大值進(jìn)行調(diào)整，并應(yīng)選擇足夠長(zhǎng)的地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間。當(dāng)采用振形分解反應(yīng)譜法進(jìn)行管桁架結(jié)構(gòu)地震作用分析時(shí)，建議至少取前25～30個(gè)振形，對(duì)體形特別復(fù)雜或重要的需要取更多振形進(jìn)行效應(yīng)組合。在抗震分析時(shí)，應(yīng)考慮支承體系對(duì)其受力的影響。此時(shí)可將桁架結(jié)構(gòu)與支承體系同時(shí)考慮，按整體分析模型進(jìn)行計(jì)算；也可把支承體系簡(jiǎn)化為管桁架結(jié)構(gòu)的彈性支座，按彈性支承模型進(jìn)行計(jì)算。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)分析時(shí)，對(duì)于周邊落地的管桁架結(jié)構(gòu)，阻尼比可取0.02，對(duì)有混凝土結(jié)構(gòu)支承的管桁架結(jié)構(gòu)，阻尼比取0.03。對(duì)于體形復(fù)雜或較大跨度的管桁架結(jié)構(gòu)，宜進(jìn)行多維地震作用下的效應(yīng)分析。進(jìn)行多維地震效應(yīng)計(jì)算時(shí)，可采用多維隨機(jī)振動(dòng)分析方法、多維反應(yīng)譜法或時(shí)程分析法。 

　　2.5計(jì)算軟件 

　　目前，能對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行前處理分析驗(yàn)算，后處理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)出圖的有STS、STCAD、MST2006、3D3S。STS桁架模塊能方便建立平面桁架模型，但不能建立空間桁架模型。STCAD的建模以及模型編輯功能都比較強(qiáng)，但是操作上比較不便，截面定義、分組繁瑣，其后處理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的參數(shù)比較豐富。MST2006的桁架模型基本上套用網(wǎng)架模型的驗(yàn)算功能。3D3S可方便輸入單元、節(jié)點(diǎn)、局部單元荷載，各種工況荷載都可以通過(guò)導(dǎo)荷載的方式由面荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)荷載，風(fēng)荷載可自動(dòng)考慮風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)；可套用多種規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，特有同一模型中對(duì)不同的單元采用不同的控制參數(shù)功能；可方便輸出模型以及每一單元在各工況、組合下的內(nèi)力、位移、應(yīng)力比圖；后處理節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，可進(jìn)行圓管相貫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，圓管與矩型管連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，多管相交相貫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；管桁架板支座、焊接球支座設(shè)計(jì)；能輸出腹桿相貫線數(shù)控切割數(shù)據(jù)；因此，工程中最常使用計(jì)算軟件為3D3S。 

　　3、桁架截面尺寸變化對(duì)其內(nèi)力的影響 

　　對(duì)于空間三角形鋼管桁架而言，當(dāng)確定了截面高度、上弦寬度以及節(jié)間長(zhǎng)度后可確定一種截面形狀。隨著上弦寬度的變化，弦桿的內(nèi)力基本上保持不變，但是腹桿和跨中撓度都有顯著的變化。上弦寬度的增加，造成豎面腹桿的傾角相應(yīng)增加，豎面腹桿的軸力在持續(xù)增加，傳遞到水平面上垂直腹桿的力也在增加。同時(shí)，豎面腹桿軸力的增加也造成了桿件剪切變形的增加，反映到結(jié)構(gòu)即是結(jié)構(gòu)跨中撓度的增加。在截面彎矩不變的情況下，上下弦桿的內(nèi)力也僅僅是當(dāng)截面高度有變化的時(shí)候，才會(huì)發(fā)生較大幅度的變化，跟其它的截面參數(shù)沒(méi)有關(guān)系。同時(shí)隨著截面高度的增加，由于傾角的減少，腹桿的軸力表現(xiàn)持續(xù)的減少，而由于彎曲變形和剪切變形的減少，跨中的撓度也逐漸變小。截面高度是影響構(gòu)件選擇尤其是弦桿選擇的一個(gè)非常重要的因素，其對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響也是非常顯著的，遠(yuǎn)大于其它因素。節(jié)間長(zhǎng)度的大小會(huì)直接導(dǎo)致腹桿夾角的改變。改變節(jié)間長(zhǎng)度以后，弦桿的內(nèi)力略有變化；同時(shí)腹桿的軸力有了相應(yīng)的變化，隨著節(jié)間長(zhǎng)度的增加，豎面腹桿的傾角相應(yīng)增加，所以豎面腹桿的軸力在持續(xù)加大，傳遞到水平面上垂直腹桿的力也在增加�？缰袚隙纫搽S著節(jié)間長(zhǎng)度的增加呈減少的趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定。從中可以看出如果腹桿布置過(guò)密，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度沒(méi)有起到積極的作用，反而加大了跨中撓度。但節(jié)間長(zhǎng)度也并非是越大越好，為了保證腹桿與弦桿的連接的可靠，一般的傾角控制在35°～55°之間。 

　　4、結(jié)論 

　　管桁架結(jié)構(gòu)因具有造型美觀、制作安裝方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、屋蓋剛度大、經(jīng)濟(jì)效果好等特點(diǎn)，已廣泛用于公共建筑中。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須把握管桁架的受力特點(diǎn)，才能設(shè)計(jì)出安全可靠、經(jīng)濟(jì)美觀的管桁架項(xiàng)目。 

　　參考文獻(xiàn) 

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　　[2]《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》.JGJ7-2010 

　　[3]戚豹，康文梅《管桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工》.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012 

　　[4]王杰，王俊平，王治.《空間鋼管桁架幾何尺寸對(duì)其內(nèi)力變化的影響》.科學(xué)技術(shù)與工程2010第10卷第3期