管桁架结构的设计特点

管桁架结构的设计特点

[摘要]本文主要阐述了空间三角形管桁架的受力特点、结构计算原则以及截面尺寸对其内力的影响等内容。

【关键词】管桁架；受力；结构计算；截面尺寸的影响

近年来，随着我国钢铁产量的不断增长，钢结构以其自身的优势，在建筑中所占的比例越来越大，钢管结构也取得较大的突破。钢管结构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。钢管结构中的管桁架结构以它独特的优势受到人们的青睐。

1、管桁架结构的受力特点

管桁架，是指用圆杆件在端部相互连接而组成的格构式结构。与传统的开口截面（H型钢和I字钢）钢桁架相比，管桁架结构截面材料绕中和轴较均匀分布，使截面同时具有良好的抗压和抗弯扭承载能力及较大刚度，不用节点板，构造简单；制作安装方便、结构稳定性好、屋盖刚度大。空间三角形钢管桁架在受到竖向均布荷载作用的时候，表现出腹杆抗剪、弦杆抗弯的受力机理。弦杆轴力的主要影响因素是截面的高度，而竖面斜腹杆轴力的主要影响因素是竖面腹杆与竖直线的倾角，水平腹杆在竖向荷载作用下的受力较小，但是如果受到明显的扭矩作用的话，必须考虑适当加大其截面尺寸。

2、管桁架结构的结构计算

2.1设计基本规定

立体桁架的高度可取跨度的1/12～1/16；立体拱架的拱架厚度可取跨度1/20～1/30，矢高可取跨度的1/3～1/6。弦杆（主管）与腹杆（支管）及两腹杆（支管）之间的夹角不宜小于30°。当立体桁架跨度较大（一般认为不小于30m 钢结构）时，可考虑起拱，起拱值可取不大于立体桁架跨度的1/300（一般取1/500）。此时杆件内力变化“较小”，设计时可按不起拱计算。管桁架结构在恒荷载与活荷载标准作用下的最大挠度值不宜超过短向跨度的1/250，悬挑不宜超过跨度1/125。对于设有悬挂起重设备的屋盖结构最大挠度不宜大于结构跨度的1/400。当仅为改善外观要求时，最大挠度可取恒荷载与活荷载标准作用下挠度减去起拱值。一般情况下，按强度控制面而选用的杆件不会因为种种原因样的刚度要求而加大截面。

2.2一般计算原则

管桁架结构应进行重力荷载及风荷载作用下的内力、位移计算，并应根据具体情况，对地震、温度变化、支座沉降及施工安装荷载等作用下的位移、内力进行计算，内力和位移可按弹性理论，采用空间杆系的有限元方法进行计算。对非

抗震设计，作用及作用组合的效应应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》进行计算，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；对抗震设计，地震组合的效应应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》进行计算，在位移验算中，应按作用标准组合的效应（不乘荷载分项系数）的效应确定其挠度。分析管桁架时，当杆件的节间长度与截面高度（或直径）之比小于12（主管）和24（支管）时，也可假定节点为铰接。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。结构分析时，应考虑上部空间网格结构于下部支承结构的相互影响；另外应根据结构形式、支座节点的位置、数量和构造情况以及支承结构的刚度，确定合理的边界约束条件。支座节点的边界约束条件，应按实际构造采用无侧移或一侧可侧移的铰接支座或弹性支座。

2.3静力计算

管桁架结构应经过位移、内力计算后进行杆件截面设计，如杆件截面需要调整应重新进行设计，使其满足设计要求。设计后，杆件不宜替换，如因备料困难等原因必须进行杆件替换时，应根据截面及刚度等效的原则进行，被替换的杆件应不是结构的主要受力杆件且数量不宜过多（通常不超过全部杆件的5%），否则应重新校核。分析管桁架结构因温度变化而产生的内力，可将温差引起的杆件固端反力作为等效荷载反向作用在杆件两端节点上，然后按有限元法分析。

2.4抗震计算

在单维地震作用下，进行多遇地震作用下的效应计算时，可采用振兴分解反应谱法，对于体形复杂或重要的大跨度结构应采用时程分析进行补充计算。采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振形分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。加速度曲线峰值应根据与抗震设防烈度相应的多遇地震的加速度时程曲线最大值进行调整，并应选择足够长的地震动持续时间。当采用振形分解反应谱法进行管桁架结构地震作用分析时，建议至少取前25～30个振形，对体形特别复杂或重要的需要取更多振形进行效应组合。在抗震分析时，应考虑支承体系对其受力的影响。此时可将桁架结构与支承体系同时考虑，按整体分析模型进行计算；也可把支承体系简化为管桁架结构的弹性支座，按弹性支承模型进行计算。在进行结构地震作用效应分析时，对于周边落地的管桁架结构，阻尼比可取0.02，对有混凝土结构支承的管桁架结构，阻尼比取0.03。对于体形复杂或较大跨度的管桁架结构，宜进行多维地震作用下的效应分析。进行多维地震效应计算时，可采用多维随机振动分析方法、多维反应谱法或时程分析法。

2.5计算软件

目前，能对桁架结构进行前处理分析验算，后处理节点设计出图的有STS、STCAD、MST2006、3D3S。STS桁架模块能方便建立平面桁架模型，但不能建立空间桁架模型。STCAD的建模以及模型编辑功能都比较强，但是操作上比较

不便，截面定义、分组繁琐，其后处理节点设计的参数比较丰富。MST2006的桁架模型基本上套用网架模型的验算功能。3D3S可方便输入单元、节点、局部单元荷载，各种工况荷载都可以通过导荷载的方式由面荷载转化为节点荷载，风荷载可自动考虑风压高度变化系数、风振系数；可套用多种规范进行验算，特有同一模型中对不同的单元采用不同的控制参数功能；可方便输出模型以及每一单元在各工况、组合下的内力、位移、应力比图；后处理节点设计中，可进行圆管相贯节点设计，圆管与矩型管连接节点设计，多管相交相贯节点设计；管桁架板支座、焊接球支座设计；能输出腹杆相贯线数控切割数据；因此，工程中最常使用计算软件为3D3S。

3、桁架截面尺寸变化对其内力的影响

对于空间三角形钢管桁架而言，当确定了截面高度、上弦宽度以及节间长度后可确定一种截面形状。随着上弦宽度的变化，弦杆的内力基本上保持不变，但是腹杆和跨中挠度都有显著的变化。上弦宽度的增加，造成竖面腹杆的倾角相应增加，竖面腹杆的轴力在持续增加，传递到水平面上垂直腹杆的力也在增加。同时，竖面腹杆轴力的增加也造成了杆件剪切变形的增加，反映到结构即是结构跨中挠度的增加。在截面弯矩不变的情况下，上下弦杆的内力也仅仅是当截面高度有变化的时候，才会发生较大幅度的变化，跟其它的截面参数没有关系。同时随着截面高度的增加，由于倾角的减少，腹杆的轴力表现持续的减少，而由于弯曲变形和剪切变形的减少，跨中的挠度也逐渐变小。截面高度是影响构件选择尤其是弦杆选择的一个非常重要的因素，其对结构刚度的影响也是非常显著的，远大于其它因素。节间长度的大小会直接导致腹杆夹角的改变。改变节间长度以后，弦杆的内力略有变化；同时腹杆的轴力有了相应的变化，随着节间长度的增加，竖面腹杆的倾角相应增加，所以竖面腹杆的轴力在持续加大，传递到水平面上垂直腹杆的力也在增加。跨中挠度也随着节间长度的增加呈减少的趋势，最后趋于稳定。从中可以看出如果腹杆布置过密，对结构的刚度没有起到积极的作用，反而加大了跨中挠度。但节间长度也并非是越大越好，为了保证腹杆与弦杆的连接的可靠，一般的倾角控制在35°～55°之间。

4、结论

管桁架结构因具有造型美观、制作安装方便、结构稳定性好、屋盖刚度大、经济效果好等特点，已广泛用于公共建筑中。在设计过程中，必须把握管桁架的受力特点，才能设计出安全可靠、经济美观的管桁架项目。

参考文献

[1]《钢结构设计规范》.GB50017-2003

[2]《空间网格结构技术规程》.JGJ7-2010

[3]戚豹，康文梅《管桁架结构设计与施工》.中国建筑工业出版社，2012