空间管桁架结构设计探讨

空间管桁架结构设计探讨

摘要：本文通过具体工程阐述大跨度整体空间管桁架的设计思路、设计过程，并结合计算分析对空间结构设计应用做一些探讨。

关键词：空间管桁架、相贯节点、模态及反应谱分析、屈曲分析

•工程概况：

本工程为公路收费大棚，主要构成为管桁柱和空间管桁架屋盖（见图1）。长向两跨，短向一跨，总长度95米，宽度20米。最大跨度35米左右，主体高度10米。屋面为弧形的柱面切割面，屋面板轻型屋面板。结构采用空间管桁架梁柱结构体系，工程所在地区抗震烈度6度，地震分组二组，场地类别为二类场地。

结构选型及结构布置：

近年来，随着我国空间钢结构技术的不断发展，空间管桁架在大跨度建筑结构中的应用越来越多，它的最大优点是能将人们对建筑物的功能要求、感观要求以及经济效益要求完美地结合在一起。本工程即采用空间管桁架结构。

管桁结构具有节点形式简单，在节点处采用相贯节点，结构外形简洁流畅；施工和维护简单，节省材料易于清洁维护；可满足各种不同建筑形式的要求，建筑造型更丰富、视觉效果更有优势。

本工程由五根三角形桁架柱和四榀三角形桁架主梁组成主体结构。共布置两排三列柱，最右端为单柱。柱间两个方向布置倒三角形管桁架梁，主桁架高度和顶面宽度分别为1.7米、1.4米，四周均有悬挑。为避免主桁架侧向失稳，沿长向每隔5.7米布置短跨向次桁架，次桁架高度和顶面宽度为1.0米、1.2米，周边做小桁架封边梁见（图2）。管桁采用空间倒三角形桁架以增大侧向刚度，提高侧向稳定性以增大次桁架间距。这样布置传力途径直接，有效承担竖向荷载同时形成双向门式结构抵抗水平荷载。

结构计算：

本工程使用sap2000通用结构分析与设计软件进行设计分析。

一、主要荷载

1. 恒荷载：屋面自重包括屋面板和檩条上弦0.4KN/m2,下弦节点0.3KN,结构自重程序可自动计算。

2. 活荷载：上弦0.5 KN/m2

3. 风荷载：基本风压0.35 KN/m2,

二、计算及分析

本工程进行了恒、活荷载以及风荷参与的静力分析、模态分析和振型反应谱分析、屈曲分析。以下分别介绍计算分析结果。

1. 静力分析主要计算结构的的恒、活荷载及风荷影对整个结构的影响。开敞屋盖结构水平向风荷载影响较小，主要为竖向掀力，因此本工程将风荷载作为结构的主要作用工况考虑。柱杆件应力比控制在不大于0.7，梁杆件应力比控制在不大于0.8

2. 模态分析和振型反应谱分析本质上是一种拟动力分析，它首先使用动力方法计算质点地震影响，并使用统计的方法形成反应谱曲线，然后再使用静力方法进行结构分析。对分析结果进行查看，输出振型分析结果，第一振型变形图见图3，这是侧立面图，可以明显的看出是y向的平动。

图3

第二振型的变形图见图4，可以看出结构体系右侧有变形，左侧变形不明显，应为扭转变形，这个结果跟结构体系右侧布置单柱有关。

第三振型变形图见图5，这是正立面图，明显的看出是x向的平动.

下面表1是结构的周期及质量参与比例，第一周期UY占0.61,为Y向平动

周期，第二周期RZ项绕Z向转动的质量参与系数0.8，大于UX和UY,因此第二周期为扭转周期。第三周期UX占0.83，为X向平动周期。

下表2为桁架节点的位移结果，U1、U2、U3为X、Y、Z向的平动位移，R1、R2、R3为绕X、Y、Z轴的转动位移。Z向最大位移为81mm。

3. 结构的屈曲分析是厚度较小的大跨度空间结构体系整体（或局部）构件稳定性的分析。结构失稳（屈曲）是指在外力作用下结构的平衡状态开始丧失，稍有扰动变形便迅速增大，最后使结构破坏。空间壳体结构设计时，稳定性有可能起到控制性作用，而非由强度控制。

下表3为屈曲分析结果。程序的屈曲特征方程为：[k-λG(r)] ψ=0。式中k—刚度矩阵，G(r)—荷载向量r作用下的几何（p-Δ）刚度，λ—特征值对角矩阵，ψ—对应的特征向量矩阵。特征值λ称为屈曲因子，在给定模式中，它必须乘以r中的荷载才能引起屈曲，即屈曲荷载为屈曲因子与给定荷载的乘积。也可将λ视为安全系数：如λ大于4.2，给定的荷载是安全的，否则应修改设计防止结构屈曲。

本表中最小的屈曲因子为19.1和-24.3,即本结构在当前荷载下分别乘以19.1和-24.3才会引起正向和反向的屈服，说明结构刚度足够大，在当前荷载下是安全的。

三、杆件设计

运行分析工况后进行钢结构设计，程序可自动调节杆件大小以满足内力及变形要求，根据程序生成的杆件截面再进行手动杆件优化，最终管桁架柱主杆为Φ245x16,柱腹杆为Φ159x8，主桁架梁弦杆为Φ203x12，腹杆为Φ168x6，次桁架梁弦杆为Φ168x6，腹杆为Φ83x4.设定杆件截面时，弦杆与主杆不应差别太大，以免弦杆侧向支撑刚度不足造成弦杆长细比过大。空间管桁架的圆钢管均采用无缝钢管，严格控制壁厚与直径的公差，其质量等级应符合《结构用无缝钢管》GB(8162-87)的要求。空间桁架主杆和弦杆截面应贯通，腹杆焊于弦杆上。

本工程处于六度区，单层钢结构，可不做抗震验算，这里进行地震作用的计算目的在于了解结构体系的运动工况，掌握结构的强弱点，便于我们的概念设计，

也是大家探讨的基础。

•结语：

通过实际工程应用，合理布置的空间管桁架结构能够较好的满足建筑造型，同时其结构受力合理，具有良好的竖向承载能力及可靠的抗震性能。通过主次桁架合理布置结构整体稳定性良好，空间刚度较大。

空间管桁的不足是相贯节点的加工与放样复杂，相贯节点处的坡口对机械加工设备要求较高；另外由于节点均为焊接，对焊接质量、焊接工艺要求较高。

为避免现场的大量焊接工作，应采用科学合理的施工分段方案，加大工厂加工工作量，减少现场拼装连接点。

此工程还存在很多不足之处，望广大读者批评指正。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看