某工業(yè)廠房屋蓋的鋼管桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞 廠房屋蓋；管桁架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 

　　1 工程概況 

　　空間鋼管桁架作為屋蓋結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，不僅滿足了大跨度的要求，而且作為一種結(jié)構(gòu)體系，營造了美學(xué)與力學(xué)的完美結(jié)合的設(shè)計(jì)理念。此類結(jié)構(gòu)形式不僅在現(xiàn)代商業(yè)建筑如體育館、展覽館、會場、航站樓等得到了廣泛的應(yīng)用，而且在現(xiàn)代工業(yè)廠房也具有強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。我院于2010年設(shè)計(jì)的某公司項(xiàng)目是國內(nèi)技術(shù)先進(jìn)的高科技復(fù)合材料企業(yè)，其主廠房--復(fù)合材料生產(chǎn)廠房屋面采用羽翼造型，像一對張開飛起的翅膀，橫向弧坡屋面，屋蓋結(jié)構(gòu)采用的就是鋼管桁架結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料生產(chǎn)廠房建筑面積為51857.60 m2，其東西長251.18 m，南北寬為201.18 m，檐口處柱頂標(biāo)高15.00 m，東西對稱，剖面見右圖，室內(nèi)外高差為0.300 m。管桁架屋蓋部分為多跨連續(xù)排架結(jié)構(gòu)，計(jì)32榀。桁架下面為鋼筋混凝土柱。 

　　2 管桁架屋蓋 

　　復(fù)合材料生產(chǎn)廠房的建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年�？拐鹪O(shè)防類別為丙類，抗震沒防烈度為7度，抗震等級為三級，基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2，場地類別為Ⅱ類，地面粗糙度為B類。管桁架跨度為27*3+18 m，兩側(cè)懸挑分別為3.75 m和9.75 m，基本柱距9 m，最大柱距10.2 m，根據(jù)建筑造型和結(jié)構(gòu)分析管桁架采用等腰倒三角形漸變截面，三角形的基本高度為1.85 m，等腰三角形的上邊水平長度為1.30 m，管桁架縱向?yàn)槎嗫邕B續(xù)弧線，20軸處柱頂標(biāo)高為15.00 m，弧線波峰處高出3.85 m，弧線波谷處低于1.45 m，上下最大高差5.3 m。管桁架上、下弦桿選用較大外徑和壁厚的圓鋼管，從鋼管節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造來保證弦桿外徑大于腹桿外徑，弦桿壁厚大于腹桿壁厚，上下腹桿節(jié)點(diǎn)間距均為1.5 m錯(cuò)位布置，與檁條間距相同，鋼管材質(zhì)為Q345B的無縫鋼管。弦桿與腹桿以及腹桿軸線問的夾角大于30o，同時(shí)在管桁架承受較大橫向荷載的支座部位縱向和橫向進(jìn)行了加強(qiáng)。為了保證屋蓋的幾何穩(wěn)定性，也為了保證屋蓋的剛度和空間整體性，設(shè)置了三道上弦水平支撐，水平支撐為十字交叉鋼管，十字交叉鋼管和系桿均為Φ133x4無縫鋼管，桁架梁之間在有混凝土柱處設(shè)置通長縱向支撐系統(tǒng)，縱向支撐也采用了三角形管桁架，這樣便于與主桁架上下桿連接，同時(shí)也起到了主桁架平面外的支撐。 

　　結(jié)構(gòu)分析采用同濟(jì)大學(xué)的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件3D3S，9.0版本，同時(shí)用SAP2000進(jìn)行校對和補(bǔ)充計(jì)算。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，假定屋面近似剛度無限大�？紤]結(jié)構(gòu)形式為排架結(jié)構(gòu)，故建立模型為兩個(gè)支撐單位間的構(gòu)件。屋面恒載取0.40 kN/m2，屋面活載取1.50 kN/m2，（考慮部分吊掛荷載），風(fēng)荷載轉(zhuǎn)化為集中力參與組合，風(fēng)壓力和吸力分別考慮。荷載組合主要有如下幾種：1）1.35恒載+1.40x0.70活載；2）1.20恒載+1.40活載；3）1.20恒載+1.40活載+1.40x0.60風(fēng)載；4）1.20恒載+1.40x0.70活載+1.40風(fēng)載；5）1.20恒載+1.20x0.50活載+1.30水平地震；6）1.20恒載+1.20x0.50活載+1.40x0.20風(fēng)載+1.30水平地震。經(jīng)過軟件的內(nèi)力分析和構(gòu)件計(jì)算，以HJ-3為例：管桁架的下弦最壓力為-550.3 kN，下弦最拉力為466.5 kN，選用Φ194x9 mm無縫鋼管；管桁架的上弦最壓力為-237.3 kN，下弦最拉力為311.2 kN，選用Φ102x5 mm無縫鋼管；支座處腹桿選用Φ70x5 mm，其他腹桿選用Φ50～70x5 mm，上弦水平腹桿選用Φ50x5 mm，桁架梁間的支撐桁架為次要結(jié)構(gòu)，僅傳遞水平力，桿件內(nèi)力較小，桿件均選用Φ68x4 mm。圓鋼管間采用相貫焊接，這種相貫焊接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法比較成熟，本工程主要腹桿與上下弦桿連接均采用KK型，使桁架盡量均勻受力。由于腹管與主管相貫焊接節(jié)點(diǎn)的承載力常常起控制作用，所以節(jié)點(diǎn)受力要留有一定安全度，局部設(shè)置了補(bǔ)強(qiáng)板進(jìn)行節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)。相貫線焊縫，應(yīng)沿全周連續(xù)焊接并平滑過渡。焊縫的質(zhì)量等級：角焊縫和部分熔透焊縫為二級，支管與支管相貫處一律滿焊。當(dāng)支管與主管的夾角小于90°時(shí)，支管端部的相貫焊縫分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)域。其中A、B區(qū)采用等強(qiáng)坡口對接焊縫，D區(qū)采用角焊縫，焊縫高度為1.5倍支管壁厚，焊縫在C區(qū)應(yīng)平滑過渡。如下圖。 

　　Y型節(jié)點(diǎn)焊縫位置分區(qū) 

　　4 設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題的探討 

　　1）風(fēng)荷載的取值。本工程的屋面大部分符合荷載規(guī)范的要求，并參照了一些類似的工程，但局部邊緣受力情況比較復(fù)雜，尤其外挑部分，按規(guī)范取最大風(fēng)壓系數(shù)并考慮風(fēng)振系數(shù)。 

　　2）施工安裝時(shí)的溫度。由于屋面的平面尺寸較大，溫度差產(chǎn)生應(yīng)力會對下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不離隊(duì)影響，所以結(jié)構(gòu)施工安裝時(shí)的溫度與使用過程中溫度盡量一致，我們要求施工安裝時(shí)的溫度在15℃±5℃，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮±10℃的溫度差。 

　　3）腹桿的加工。由于桁架每組腹桿的空間位置不同，旋轉(zhuǎn)角度不同。對其相貫線應(yīng)采用計(jì)算機(jī)多維空間計(jì)算、放樣、排料，用六維相貫線數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行切割加工，以確保腹桿安裝在桁架的準(zhǔn)確位置。 

　　參考文獻(xiàn) 

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