浅析某屋盖钢桁架结构分析与设计--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

浅析某屋盖钢桁架结构分析与设计

发表时间：2020/11/24 来源：《基层建设》2020年第22期作者：胡志河

[导读] 摘要：随着技术的进步和人们审美意识的增强，各种建筑推陈出新，新的设计思路强化了建筑的美感，但同时更要注意稳定性，建筑结构是建筑的基础，需要通过良好的技术进行构建，只有满足了设计标准规范、迎合了社会主流审美潮流的建筑也是完美的，为了确保建筑结构符合要求，则需要全面进行建筑结构技术研究，以此确保建筑稳定安全，实现功能展现。

        华强方特设计院（厦门）有限公司福建厦门 361100
        摘要：随着技术的进步和人们审美意识的增强，各种建筑推陈出新，新的设计思路强化了建筑的美感，但同时更要注意稳定性，建筑结构是建筑的基础，需要通过良好的技术进行构建，只有满足了设计标准规范、迎合了社会主流审美潮流的建筑也是完美的，为了确保建筑结构符合要求，则需要全面进行建筑结构技术研究，以此确保建筑稳定安全，实现功能展现。文章主要介绍了某屋盖钢桁架结构体系、分析条件、相关计算结果及支座节点的设计思路，通过整体模型与钢结构单一模型分析结果做全面对比，确保整体模型所得结果更加符合实际工程需要，从根本上推动技术创新、结构创新，提升建筑品质。
        关键词：钢桁架；结构；设计；合理性
        一、钢管桁架特点及设计
        管结构主要指的是由圆管、矩形管、方钢管制作加工而形成的一种结构，钢管桁架结构按杆件的截面可以分为圆钢管桁架和矩形钢管桁架。近年来此种形式的桁架结构发展较快，应用范围越来越广。桁架的弦杆、腹杆可以全部采用钢管，也可以弦杆采用传统的热轧 H 形截面，而腹杆采用钢管与其有效连接的组合形式。
        1.1与传统的开口截面相比，钢管桁架有以下特点
        钢管的管壁较薄，几何特性好，截面回转半径较大。剪心、形心重合，抗扭性能好，抗弯刚度较大，结构稳定性好。节点形式简单，节省材料。施工简单，速度快、节省施工工期。钢管和大气接触表面积小，有利于防锈，维护更为方便，其内部不易生锈。另外，钢管桁架结构整体性能好，制作、安装、起吊都比较容易。
        1.2钢管桁架的设计
        钢管桁架结构首先要进行荷载作用下的位移、内力计算，在杆件截面及节点设计中，应按作用基本组合的效应确定内力设计值。然后进行杆件截面设计，确定弦杆、腹杆的截面尺寸。若杆件截面不合理，需要调整进行重新设计，使其满足设计要求。
        外荷载可按静力等效原则将节点所辖区域内的荷载集中作用在该节点上。当杆件上作用有局部荷载时，应另行考虑局部弯曲应力的影响。虽然钢管的结构稳定性好，但桁架整体的侧向稳定需要有效保证。对于较多工业项目，常利用两榀桁架之间的横担作为侧向支撑点。横担根据上部荷载点的位置进行布置，使桁架承受节点荷载，避免弦杆产生弯曲应力，造成不利影响。
        二、工程概况
        某建筑工程为例，整体采取钢桁架屋盖与混凝土框架结构设计，建筑的组合结构形式（如图 1）。图中所示，中间呈现四坡钢结构屋面形状，平面投影尺寸设计标准是 110m×44m。建筑最高点设计标高是 14.000m，两侧采取单层混凝土框架结构设计，柱网是 7.5m×9.0m，混凝土梁顶标高设计是 11.000m。

        图 1 结构三维轴测图
        2.1屋盖结构体系
        屋盖结构体系非常重要，其设计是否科学关系到建筑的稳定性，那么在进行设计时，需要根据科学的预算做好结构设计与布局。根据建筑物的功能，并且按照设计四坡屋面造型的需要，进一步确定混凝土柱整体布局结构，主体结构为平面钢桁架形式，设计桁架跨度为 37.5m，各间距为 9m，同时在框架四周各悬挑出 3m 的标高。桁架中间设计标准厚度是 2.0m，端部支座的部位设计厚度削减到0，整个悬挑屋檐使用单根方管排列组合，强化建筑强度。建筑的钢屋盖部分设计平面尺寸是 72m×37.5m，同时铺设混凝土柱柱网标准是 9.0m×37.5m。
        2.2 分析条件
        按照建筑结构设计情况，对各部位科学性进行系统分析，要对几项大的指标体系进行检验，确保其合理因素。
        （1）几何边界条件。混凝土框架结构和桁架上下弦杆设计较为关键，主要受力部位集中到梁单元，而桁架腹杆、水平支撑及系杆主要通过轴力单元来呈现。钢结构利用小短钢柱和混凝土柱顶形成一定力量的铰接，屋盖檩条部分是简支梁形式，这样能够使受力更加均衡。主桁架选择硬度较高的材质，主要是 Q345B 材料。上下弦杆非常重要，起到支撑作用，主要使用了 Φ299mm×12，腹杆是Φ140mm×6 的规格；次桁架上下弦杆承受一定重力，主要使用Φ180mm×8，腹杆 Φ95mm×5 的规格。
        （2）荷载作用。结构设计是确保建筑稳定的前提，设计是否合理，直接影响建筑使用功能发挥，那么在进行设计时，重点考虑了结构自重、屋面活载、屋面恒载、屋面雪载、风荷载、温度作用及地震作用等不同的影响因素，只有全面考虑周到，才能实现建筑结构的科学合理性。在进行设计时，具体数据如下：一是结构自重设计，主要取决于计算程序过程，能够达到自动计入的目标；二是屋面情况。活载控制到0.5kN/m 2、恒载控制到0.80kN/m 2，可以选择设计到采光天窗处1.50kN/m 2；三是基本雪压按照重现期100年，要控制到S0＝0.10kN/m 2，可以单独做好设计，和活载量分开计算；四是基本风压要看地面粗糙度，如果是B类，则风压高度变化系数要由规范取值，按重现期100年计算，保持到W0＝0.50kN/m 2，温度作用±30℃；五是抗震设防烈度整体取7度，基本加速度取值是0.10g。
        （3）荷载组合。荷载量直接影响建筑的承重力，要在设计时全面考虑到内力情况，内力基本组合表现职下：1.0恒+1.4风；1.2恒+1.4活+0.84风；1.2恒+1.4活+1.0温；1.0恒+1.4风+1.0温；1.2恒+1.4风+0.98活；1.2恒+1.4活。
        2.3同设计参数不同模型主要计算结果
        （1）挠度对比。建筑的恒载+活载是必不可少的参数，整体模型挠度比单一模型要大许多，大体为 122.5％左右。整体标准组合起到综合作用，在这种作用下，需要全面考虑到整体模型桁架最大挠度，设计标准是 89mm，挠跨比设计为 89/37500=1/421。如果是单一模型，那么，桁架最大挠度设计是 40mm，挠跨比是 40/37500=1/937。
        （2）自振周期对比。钢结构模型呈现单一形式，那么，整个结构自振周期则需要通过局部振动实现，保持密集的阵型，确保稳定性。
        组合结构模型结构，自振周期则需要考虑均整体平动或扭动的情况，所以说，单一模型刚度大于整体模型刚度。
        （3）钢支座反力对比。计算屋盖桁架中间跨取值时，要对不同的部位进行计算，形成整体模型与单一模型钢支座反力结果，按计算得到的结果显示，两个模型所产生的竖向反力没有较大的差别，整体不受影响，两个模型在地震作用下，所产生的反力非常小，若除去地震作用力，那么单一模型产生的跨度方向支座反力就会增加，比整体模型要高出多倍，比值高达 41 倍以上，所以，我们在进行混凝土柱设计的时候，一要充分做好荷载作用的取值，只有设计合理，才能实现高品质建设目标，确保建筑稳定性。
        2.4 支座节点
        屋盖桁架通过多种结构支撑，起到稳定作用，小短钢柱能够支撑混凝土柱柱顶，起着重要的作用，过渡板能够对钢结构安装时出现的误差进行有效调整，确保建筑结构满足设计标准。桁架端部厚度减为 0，使抗弯刚度不够，出现了突然的锐减情况，那么，为了保证结构均衡，则需要对桁架抗弯刚度做好加强设计，实际操作时，可能通过支座对上下弦杆间焊接钢板来解决，小短钢柱连接过渡板与钢结构预埋件，形成良好的焊接，保证结构协调稳固。
        三、结束语
        钢管桁架整体性能、受力性能好，外表完整、美观，有一定经济性，能有效缩短制作工期，是一种很有前途的结构形式。方钢管桁架的受力模型应根据节点连接形式及荷载情况综合确定，不能简单地认为是铰接。与一般节点板桁架不同，焊接方钢管桁架的承载能力不仅取决于杆件的承载力，还取决于节点连接强度。而节点强度依赖焊缝强度，并取决于节点的连接方式和连接杆件的几何参数。因此节点设计比较关键，对于节点施工质量的要求比较高。
        参考文献：
        [1]基于ANSYS的26t桁架门式起重机有限元分析[J].王晓闯，陈雁涛.现代机械.2016（04）
        [2]桁架结构焊接机器人工作站设计与研究[J].杜杰伟，虞然，郑卫刚.热加工工艺.2014（15）
        [3]钢桁架结构收费天棚改扩建设计研究[J].苑辉，张金香.山东交通科技.2015（02）
        [4]钢桁架结构体系的防连续倒塌性能分析[J].蔡朝霞，李宏.广东土木与建筑.2015（06）