浅析大跨度钢桁架结构

浅析大跨度钢桁架结构
相比混凝土大跨度结构，钢材具有轻便性高，塑性和韧性好等优点，其加工、制造与施工也相对方便，可在保证尽可能减小结构重量的同时提高施工效率。

所以，当前大跨度结构仍选用钢材作为主要材料。

在国内钢材产量不断提高的推动下，钢材质量也在逐渐完善，相应的品种规格也日益丰富，这使得钢结构在国内迅速发展。

依据目前的钢材防腐耐火情况，各类管材、型钢等均可大范围应用于大跨度结构。

因此，加强有关大跨度钢桁结构的研究，对于提高大跨度钢桁结构的应用质量具有重要意义。

一、大跨度钢桁架结构屋架选型
在对大跨度钢桁架进行结构设计和分析时，应重点确定该结构屋架选型。

其主要确定标准有：
（1）受力恰当：屋架选型应保证结构受力科学，在保证受力合理条件下才能促使各杆件完全发挥作用。

相对于桁架结构的弦杆而言，能使各弦杆内力趋于一致便表明受力恰当。

依据施工经验，在简支屋架中，为保证受力恰当，其结构外形需类似于屋架在均布荷载条件下的弯矩图，因此弦杆需采用折线形。

而折线形弦杆制作相对繁琐，且施工难度较大，在当前施工中已不再常用。

对于三角形屋架，因结构形式局限，无法满足短杆受压、长杆受拉要求，且由于腹杆数量较多，所以通常选用人字式腹杆；对于平衡弦屋架或梯形屋架，若选用斜腹杆形式，虽可保证受力合理，但相比人字式腹杆其节点较多，所以也应选用人字式腹杆方式。

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作为一种悬臂的空间桁架结构，塔架主要用于承受水平荷载。

塔架下方所承受的弯矩最大，所以塔架通常选用正放的棱锥形式。

若塔架高度较低，其弦杆可选用直线形式；若塔架高度较高，则弦杆选用折线形式。

（2）符合使用标准：在设计钢屋架前应先确定屋架的坡度，屋架坡度应与防水材料相匹配。

对于梯形屋架，因其上弦相对平缓，坡度通常在1/12～1/8之间，可采用钢筋混凝土或压型钢板铺设屋架。

若屋面材料使用长压型钢板且沿顺坡方向进行铺设时，屋架坡度可控制在1/20以内，所以其可选用铰接或刚接等方式与支撑柱连接。

对于三角形屋架，因其上弦坡度在1/3～1/2之间，屋架上只能铺设瓦楞铁皮或石棉瓦等材料，所以其同支撑柱的连接通常选用铰接方式。

对于平行弦屋架，因其可采用多种坡度铺设，其与支撑柱可任意选用铰接或刚接连接方式。

（3）高经济性：在屋架选型过程中，除了考虑构件制作方便、施工简单、节省材料等因素，还应确保结构荷载、跨度、材料获取方便性等要求。

总体而言，三角形钢屋架弦杆内力相对较大，同时杆件角度娇小，安装难度较高。

在正常使用过程中，三角形屋架因结构竖向形成位移，可增大杆件夹角以提升结构的稳定性。

若平行弦双坡屋架坡度相对娇小，其下弦杆应该设计成水平形式，由此可避免屋架对支承形成推力的缺陷。

（4）制造与安装方便：从杆件制造角度而言，结构选型应确保杆件种类与数量尽量少。

平行弦屋架使用的杆件种类较少，且形式相对统一，可符合制造简便的标准。

在构造上，结构内不同杆件的夹角应控制在30。

～60。

以内。

二、大跨度钢桁架结构的设计
1、柱网布置
柱网布置需考虑结构、工艺和经济等因素，且应满足标准化模数限制。

布置时应符合工艺设备更新与预期扩建等生产工艺流程要求，如结构基础底部各类管道及结构基础应同柱网布置相匹配。

结构方面，柱网布置应使上部结构刚度和强度满足标准，为便于施工，还应采用一致的柱距跨度。

在结构设计时，支撑、檀条等构件截面尺寸同柱距直接相关。

大尺寸柱距虽能减少地基处理成本，但同时会增加支撑、檀条等材料的使用量。

因此，恰当的柱网尺寸应以经济效益最优为目标。

柱网尺寸的选用需考虑屋面使用的材料，如若屋面板采用混凝土材料，因屋面自重较高，所以柱距应控制在6m左右；而对于高度在14m以上、最大跨度高于30m的大型屋面板，应尽量选用12m的柱距。

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2、支撑布置
（1）下弦横向水平支撑：通常的屋架体系均应安设下弦横向水平支撑以连接两侧屋架。

若厂房内包含起重量在10t以上的桥式吊车，则需安设下弦横向水平支撑以消除吊车引发的水平方向的振动；若厂房屋架跨度在18m以下，且厂房内吊车自重较小，则可不再设置下弦横向水平支撑。

（2）上弦横向水平支撑：在有檀体系、无檀体系和天窗屋架中均应安设上弦横向水平支撑。

若采用较高水平的焊接方式，屋面板可当作上弦横向水平支撑时，可无需再设置上弦支撑。

上弦横向水平支撑通常按设置屋架最外侧的两榀屋
架间，其间隔距离应控制在60m以内。

若体系需安设伸缩缝结构，应在缝两侧安设支撑。

（3）垂直支撑：对于普通屋架均应沿房屋纵向安设垂直支撑。

垂直支撑是一种平行线桁架。

在屋架中部，垂直支撑数量应根据结构跨度确定。

若屋架采用梯形形式且跨度在30m一下，则仅需设置一道即可，但应将其安设在结构跨中部位。

若屋架跨度高于上述限值，则垂直支撑应按照1/3跨度的间隔距离进行铺设。

若屋架安设有天窗，则应在天窗位置安设垂直支撑。

3、确定屋架尺寸
屋架尺寸主要是指高度和跨度。

跨度即工程设计跨度。

高度则需考虑刚度、坡度、运输等因素，通常屋架在施工及使用过程中挠度应在跨度的1/500以下。

依据不同屋架的高跨比范围克制，若屋架采用三角形外形，则高跨比应控制在1/6～1/4，若屋架采用梯形外形，则该值应控制在1/10～1/6。

在梯形屋架中，除设定中部高度外，还需确定端部高度。

端部高度受屋架坡度的影响，其设定值应符合模数化标准。

若屋架与支撑柱采用刚接方式连接，屋架端部树杆可把結构内力充分传递至支座，以降低杆件内力，因此其端部高度与跨度比值通常控制在1/16～1/10之间。

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4、杆件截面选取
结构内部各杆件应先确保具有充足的刚度和强度，且要尽可能运输方便、制造简单、协同工作性能强。

所以杆件需具有较高的回转半径、平整表面和高强的轻质性。

在实际工程中通常选用双角钢制造的T型截面或十字行截面作为桁架杆件。

在设计钢结构时，受力杆件需符合等稳定性标准，也就是杆件绕两个主轴的稳定性应接近，，以确保材料使用充分。

等边角钢可作为桁架结构的拉杆使用，但应确保角钢伸出肢宽度充分，以提升弦杆在平面位置的稳固性。

在构件验算过程中，需注意角钢组成的界面在验算y轴稳定性时的扭转效应。

结束语：
大跨度钢桁架结构的应用水平将直接关系着建筑结构的使用效果及经济效益，因此，相关技术与设计人员应加强大跨度钢桁架结构的有关研究，总结大跨度钢桁架屋架型式及关键部位设计要点，以逐步提升大跨度钢桁架结构的建筑质量。

参考文献：
[1] 杨晨.大跨度钢管桁架结构优化设计分析[D].天津大学.2011，05（35）：57-58.
[2] 李星.大跨度屋盖管桁架结构在地震作用下的振动控制[D].西南交通大学2012，13（14）：74-75.
[3] 吴连杰.钢管桁架结构的整体稳定性能及设计方法研究[D].北京交通大学2012，12（29）：62-63.。