王柱成 王詩瑤 劉廣鵬 任盛鑫

摘 要：近年來，隨著我國鋼材產(chǎn)量的不斷增長，鋼結(jié)構(gòu)以其自身的優(yōu)勢在建筑中所占的比重越來越大，鋼管結(jié)構(gòu)也取得了很大的突破。鋼管結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是能很好地結(jié)合人們對建筑的功能要求、感官要求和經(jīng)濟(jì)效益要求。鋼管桁架結(jié)構(gòu)以其獨特的優(yōu)點受到人們的青睞。

關(guān)鍵詞：管桁架；結(jié)構(gòu)設(shè)計；分析

1 管桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性

管桁架結(jié)構(gòu)是在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。與空間桁架結(jié)構(gòu)相比，管桁架結(jié)構(gòu)具有獨特的優(yōu)勢和實用性，結(jié)構(gòu)的用鋼量也相對經(jīng)濟(jì)。與空間桁架結(jié)構(gòu)相比，管桁架結(jié)構(gòu)省去了空間桁架下弦桿和球節(jié)點，能滿足不同建筑形式的要求，特別是圓拱和任意曲線形狀比空間桁架結(jié)構(gòu)更為有利。四面穩(wěn)定，節(jié)省材料消耗。

與傳統(tǒng)的開口截面鋼桁架（h型鋼和I型鋼）相比，管桁架結(jié)構(gòu)的截面材料繞中性軸均勻分布，使截面具有良好的壓扭承載力和較大的剛度，不需要節(jié)點板，結(jié)構(gòu)簡單。

最重要的是管桁架結(jié)構(gòu)外形美觀，造型方便，具有一定的裝飾效果。該管桁架結(jié)構(gòu)整體性能好，抗扭剛度高，外形美觀，制造、安裝、翻轉(zhuǎn)、吊裝相對容易。冷彎薄壁型鋼屋架具有結(jié)構(gòu)輕巧、剛度好、節(jié)約鋼材、充分利用材料強(qiáng)度等優(yōu)點。特別是在長細(xì)比控制的壓桿和支撐體系中更為經(jīng)濟(jì)。目前，采用這種結(jié)構(gòu)的建筑物基本上屬于公共建筑物。該結(jié)構(gòu)具有外形美觀（可做成平板形、圓弧形、任意曲線形）、制作安裝方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、屋面剛度大、經(jīng)濟(jì)效果好等特點。

2 管桁架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計算

2.1 基本設(shè)計規(guī)則

三維桁架的高度可為跨度的1/12～1/16。三維拱的拱厚可達(dá)跨度的1/20～1/30，拱高可達(dá)跨度的1/3～1/6。弦（主管）與腹桿（支管）和兩腹桿（支管）夾角不得小于30度。當(dāng)立體桁架跨度較大（一般不小于30m鋼結(jié)構(gòu)）時，可考慮起拱，起拱值不大于立體桁架跨度的1/300（一般為1/500）。此時桿件內(nèi)力變化較小，設(shè)計時不能用拱計算。管桁架結(jié)構(gòu)在恒載和活載標(biāo)準(zhǔn)下的最大撓度值不應(yīng)超過短跨度的1/250，懸臂不應(yīng)超過跨度的1/125。懸吊吊裝設(shè)備屋面結(jié)構(gòu)的最大撓度不應(yīng)大于結(jié)構(gòu)跨度的1/400。當(dāng)僅改善外觀要求時，在恒載和活載標(biāo)準(zhǔn)下，最大撓度可取撓度減去鼓包值。

2.2 計算的一般原則

計算管桁架結(jié)構(gòu)在重力荷載和風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力和位移，并根據(jù)具體情況計算地震、溫度變化、支座沉降和施工安裝荷載作用下的位移和內(nèi)力。根據(jù)空間桿系的彈性理論和有限元方法，可以計算出空間桿系的內(nèi)力和位移。非抗震設(shè)計按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計算作用效果和作用組合，按桿件截面和節(jié)點設(shè)計中作用基本組合效果確定內(nèi)力設(shè)計值?？拐鹪O(shè)計中，地震組合效應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》計算。在位移計算中，其撓度應(yīng)根據(jù)組合功能標(biāo)準(zhǔn)的影響確定（不乘以荷載分項系數(shù)）。在分析管桁架時，當(dāng)桿件節(jié)間長度與截面高度（或直徑）之比小于12（主管）和24（支管）時，也可以假定節(jié)點是鉸接的。根據(jù)靜態(tài)等效原則，外部荷載可以將節(jié)點管轄區(qū)域內(nèi)的荷載集中在節(jié)點上。當(dāng)構(gòu)件承受局部荷載時，應(yīng)分別考慮局部彎曲應(yīng)力的影響。在分析結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮上部空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與下部支撐結(jié)構(gòu)之間的相互作用。

2.3 靜態(tài)計算

管桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計為截面桿件經(jīng)過位移和內(nèi)力計算。如需調(diào)整桿件截面，應(yīng)重新設(shè)計以滿足設(shè)計要求。設(shè)計完畢后，不應(yīng)更換鋼筋，如因備料困難等原因必須更換鋼筋時，應(yīng)按等效截面和剛度原則進(jìn)行，更換的鋼筋不應(yīng)是結(jié)構(gòu)的主要受力鋼筋，數(shù)量不應(yīng)過多（一般不超過全部鋼筋的5%），否則應(yīng)重新檢查。分析溫度變化引起的管桁架結(jié)構(gòu)內(nèi)力，可以將溫差引起的桿件固定端反力作為桿件兩端節(jié)點上的等效荷載，然后按有限元方法進(jìn)行分析。

2.4 地震計算

在計算一維地震作用下的頻繁地震效應(yīng)時，可采用振興分解反應(yīng)譜法，并應(yīng)采用時程分析法補(bǔ)充復(fù)雜或重要大跨度結(jié)構(gòu)的計算。采用時程分析法時，應(yīng)根據(jù)建筑場地類別和設(shè)計地震分組選擇不少于兩組實際強(qiáng)震記錄和一組人工模擬加速度時程曲線，平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振動分解反應(yīng)譜法采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上一致。加速度曲線峰值應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防烈度對應(yīng)的頻繁地震加速度時程曲線最大值進(jìn)行調(diào)整，并選擇足夠的地震動持續(xù)時間。采用振型分解反應(yīng)譜法對管桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用分析時，建議至少取前25～30個振型，當(dāng)振型特別復(fù)雜或重要時，應(yīng)取更多振型進(jìn)行效果組合。在抗震分析中，應(yīng)考慮支承體系對其應(yīng)力的影響。此時，桁架結(jié)構(gòu)和支撐體系可以同時考慮，并根據(jù)整體分析模型進(jìn)行計算。還可以將支撐體系簡化為管桁架結(jié)構(gòu)的彈性支撐，并根據(jù)彈性支撐模型進(jìn)行計算。在分析結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)時，周邊樓層的管桁架結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02，混凝土結(jié)構(gòu)支撐的管桁架結(jié)構(gòu)阻尼比取0.03。對于形狀復(fù)雜、跨度大的管桁架結(jié)構(gòu)，宜進(jìn)行多維地震作用下的效應(yīng)分析。計算多維地震效應(yīng)時，可采用多維隨機(jī)振動分析法、多維反應(yīng)譜法或時程分析法。

2.5 計算軟件

目前，桁架結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行預(yù)處理、分析和校核?？梢允褂肧TS、STCAD、MST2006和3d3s進(jìn)行后處理節(jié)點的設(shè)計。STS桁架模塊可以方便地建立平面桁架模型，但不能建立空間桁架模型。STCAD具有強(qiáng)大的建模和模型編輯功能，但操作不便，截面定義和分組復(fù)雜，處理后節(jié)點設(shè)計參數(shù)豐富。MST2006的桁架模型基本上應(yīng)用了桁架模型的校核功能。3d3s可以方便地輸入機(jī)組、節(jié)點和局部機(jī)組載荷，通過導(dǎo)向載荷將各種工況下的載荷從表面載荷轉(zhuǎn)換為節(jié)點載荷，風(fēng)荷載可以自動考慮風(fēng)壓高度和風(fēng)振系數(shù)的變化系數(shù)?？蓱?yīng)用各種規(guī)格進(jìn)行校核計算，同一型號的不同機(jī)組可采用不同的控制參數(shù)函數(shù)。便于輸出不同工況和組合下各單元的模型及內(nèi)力、位移、應(yīng)力比圖。在后處理節(jié)點設(shè)計中，可以進(jìn)行圓管相貫節(jié)點設(shè)計、圓管與矩形管相貫節(jié)點設(shè)計和多管相貫節(jié)點設(shè)計。管桁架板支架和焊球支架的設(shè)計：可輸出腹桿相貫線的數(shù)控切割數(shù)據(jù)；因此，工程上最常用的計算軟件是3D3S。

3 桁架截面尺寸變化對其內(nèi)力的影響

對于空間三角形鋼管桁架，在確定截面高度、上弦桿寬度和節(jié)間長度后，即可確定截面形狀。隨著上弦桿寬度的變化，弦桿內(nèi)力基本保持不變，腹板和跨中撓度變化較大。上弦桿寬度的增大導(dǎo)致豎向腹板傾角相應(yīng)增大，豎向腹板軸力不斷增大，水平平面上傳遞給豎向腹板的力也隨之增大。同時，豎向腹板構(gòu)件軸力的增加也導(dǎo)致構(gòu)件剪切變形的增加，這反映出該結(jié)構(gòu)是跨中撓度的增加。在截面彎矩不變的情況下，上下弦桿的內(nèi)力只有在截面高度變化時才會發(fā)生顯著變化，而與其它截面參數(shù)無關(guān)。

隨著截面高度的增加，腹板構(gòu)件的軸力性能隨著傾角的減小而不斷降低，而跨中撓度隨著彎曲變形和剪切變形的減小而逐漸減小。截面高度是影響構(gòu)件選擇尤其是弦桿選擇的重要因素，截面高度對結(jié)構(gòu)剛度的影響也非常顯著，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他因素。節(jié)間長度將直接導(dǎo)致腹桿之間角度的變化。節(jié)間長度變化后，弦桿內(nèi)力變化不大。同時，腹板構(gòu)件的軸力也發(fā)生了相應(yīng)的變化。

隨著節(jié)間長度的增加，豎向腹板構(gòu)件的傾角相應(yīng)增大，豎向腹板構(gòu)件的軸力不斷增大，水平平面上傳遞給豎向腹板構(gòu)件的力也隨之增大。跨中撓度隨節(jié)間長度的增加而減小，最終趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

總之，管桁架結(jié)構(gòu)具有外形美觀、制作安裝方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、屋蓋剛度大、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點，在公共建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。在設(shè)計過程中，必須掌握管桁架的受力特點，才能設(shè)計出安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、美觀的管桁架工程。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林勇.探析管桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計存在問題及對策[J].建筑科技，2017（9）：23～24.