摘 要：结合某煤矿厂区露天连廊钢桁架的设计，利用有限元软件SAP2000分别建立平面桁架模型和空间桁架模型，通过平面桁架模型对杆件截面选型方案进行比较，得到圆钢管桁架可以有效减小用钢量8.4%左右。然后采用空间桁架模型对桁架整体受力进行复核，得到楼承板平面外刚度可以减小桁架上下弦内力及挠度，对于楼屋面荷载较大的钢桁架受力结构，需要根据楼板导荷路径判断是否对边跨桁架产生平面外弯矩。通过计算分析结果，可以得出该平面外弯矩对桁架腹杆承载力的影响是不可忽略的，必须加大桁架两端若干腹杆截面以满足设计要求。若按平面桁架模型计算结果进行设计，桁架腹杆的应力比就可能有超限的情况，对结构安全性将产生隐患。
关键字：钢桁架；截面选型；平面外刚度；平面外弯矩
1 工程概况
本工程为陕西省神木市某煤矿浴室至上平台连廊，如图1所示。连廊跨度为21m，楼承板采用压型钢板组合楼板，结构型式采用平面钢桁架（两榀）。由于场地条件限制，尽可能降低桁架高度，本设计取桁架高度为1250mm，约为跨度的1/17，钢结构材质均采用Q235B。本工程抗震设防烈度6度，第一组，场地类别Ⅱ类。
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图1 连廊平面、剖面图
2 荷载计算与截面选型
2.1 荷载计算
1）永久荷载：压型钢板组合楼板自重（包括面层做法）为3.45kN/m2；横梁及支撑自重为0.32kN/m2（按实际支撑布置情况反算）；永久荷载标准值为3.77kN/m2。
2）可变荷载：楼面活荷载2.5 kN/m2；基本雪压0.25 kN/m2；基本风压0.5 kN/m2，考虑考虑风荷载对桁架不利作用，取风荷载对楼板底部的吸力，体型系数取-1.0[1]，风荷载标准值为0.5 kN/m2；可变荷载标准值为：楼面楼荷载+0.7基本雪压+0.6风荷载标准值=2.98kN/m2。
3）节点集中荷载：桁架节间距离为1.5m，楼承板宽度4.7m，则节点集中永久荷载标准值为13.28kN；节点集中可变荷载标准值为10.49kN。
4）荷载组合：1.3永久荷载+1.5可变荷载。
2.2 截面选型
钢桁架杆件截面选型采用两个方案，分别为圆形钢管截面和双角钢截面，支座形式为一端铰接一端滑动，桁架杆件编号见图2，杆件截面规格见表1。
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3 方案比较
3.1 计算分析
本文采用SAP2000有限元软件建立单榀钢桁架模型[2]分别对以上两种方案（圆钢管及双角钢截面）进行内力分析，由于杆件长度与截面高度比值较小，且楼承板荷载并非只作用在桁架节点上，所以节点按刚接计算，考虑杆件局部弯矩的影响。钢桁架挠度限值为l/400[3]，并控制桁架杆件应力比不大于0.95。计算结果如图3、4及表2所示。
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由计算结果可知，两种杆件截面形式在应力比、挠度相差不大且均满足《钢结构设计标准》（GB 50017–2017）对挠度限值要求的前提下，圆钢管截面桁架比双角钢截面总用钢量节省了8.4%，而双角钢截面中节点板达到了降低工程造价，节约成本的设计要求。
3.2 适用性比较
由于连廊处于室外露天工程，结构受气候影响比较大，防锈防腐处理要求比较高，而双角钢截面杆件表面有易于积灰和积湿的角，不利于结构的耐久性。相比之下，圆钢管属于管形封闭截面，便于表面水渍排除、挥发，更便于涂装、维护。
双角钢截面杆件腹杆需用节点板与上下弦杆连接，由于桁架高度较小，整体结构会显得笨重，影响视觉美观。而圆钢管截面桁架腹杆与上下弦杆采用焊缝连接，整体结构显得轻盈美观。
4 空间钢桁架模型校核
连廊楼承板采用压型钢板组合楼板，按平面桁架节点传力计算模型进行分析时，由于楼承板荷载较大且并非仅作用于桁架节点上，也未能考虑楼承板平面外刚度对钢桁架整体刚度的影响，所以有必要建立空间钢桁架模型，并对其受力情况进行校核。以下采用SAP2000有限元软件对钢桁架按空间结构建立模型进行内力分析与设计，并与单榀平面桁架进行比较。由于楼承板与钢桁架上弦及横梁采用焊钉进行连接，楼板平面内弯矩无法有效传递到桁架中，所以空间模型中采用板单元对楼承板进行模拟，考虑楼板的平面外刚度，而不考虑其平面内刚度。钢桁架有限元空间模型及桁架杆件编号如图5、图2所示，空间桁架与平面桁架杆件截面规格对比见表3，计算结果见图6及表4。
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由表3、表4可以看出，空间桁架模型上下弦杆件轴力及挠度较平面桁架模型有所减小，主要是因为楼承板的平面外刚度对结构整体受力及变形有一定的影响，设计时上下弦杆件截面可适当减小，杆件截面减小后上下弦的应力比及挠度与平面桁架模型相差不大。
由图6并结合表3杆件截面规格可以看出，空间桁架模型腹杆应力比整体较平面桁架增大显著，主要是因为连廊空间模型共两榀，并均为边跨，楼承板永久荷载及可变荷载较大，并且其荷载大部分通过钢横梁传至两边桁架，使得桁架腹杆需要承受一定的平面外弯矩，进而腹杆的应力比较大，必须分别增大桁架两端四根斜腹杆截面规格，使腹杆的承载力满足设计要求。通过空间模型杆件计算书，也可以看出腹杆承受一定的平面外弯矩，在斜腹杆中平面外弯矩所产生的杆件应力占总应力的43%~80%，而直腹杆平面外弯矩所产生的杆件应力所占比例达到了70%以上。由此可见，在这种楼板荷载较大的边跨桁架计算时，必须考虑楼板传到桁架结构中平面外弯矩对腹杆受力影响，否则结构可能会产生破坏，影响结构安全性。
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5 结论
1）通过对比分析，得到钢桁架圆钢管截面的最优方案，可节约钢材8.4%，并且该截面类型有利于露天环境的防腐防锈处理和维护[4]，视觉效果轻盈美观。
2）对于钢桁架所支撑的楼承板为压型钢板组合楼板的连廊、栈桥等结构，采用空间桁架模型进行计算分析时，可以考虑楼板的平面外刚度对钢桁架整体结构刚度的影响。通过计算结果可以看出，楼板平面外刚度对钢桁架上下弦受力及挠度都有有利的作用，设计时可适当减小上下弦杆件的截面，达到节省钢材、经济合理的设计要求。
3）在进行钢桁架设计时，对于楼面或屋面荷载较大的边跨桁架，需根据楼屋面导荷路径分析是否有平面外弯矩作用在桁架上弦处，若有则必须建立空间桁架模型进行复核腹杆是否满足设计要求，必要时需加大桁架两端若干腹杆截面以保证结构的安全性。
参 考 文 献
[1]建筑结构荷载规范: GB 50009–2012 [S] .北京:中国建筑工业出版社, 2017.
[2]中国建筑标准设计研究院. SAP2000中文版使用指南[M] .北京:民交通出版社, 2012.
[3]钢结构设计标准: GB 50017–2017 [S] .北京:中国建筑工业出版社, 2017.
[4]《新钢结构设计手册》编委会. 新钢结构设计手册[M] .北京:中国计划出版社, 2018.