M形空间钢管桁架屋盖结构方案设计及有限元分析

M形空间钢管桁架屋盖结构方案设计及有限元分析

发表时间：2017-12-26T14:22:58.477Z 来源：《防护工程》2017年第21期作者：陈露[导读] 本文对M形空间钢桁架屋盖进行了结构方案设计，分别在结构①面和②面设计采光面，提出了两种结构方案。

中衡设计集团股份有限公司苏州 215021 摘要: 本文对M形空间钢桁架屋盖进行了结构方案设计，分别在结构①面和②面设计采光面，提出了两种结构方案。采用Midas/Gen软件对两种结构方案进行了有限元分析，得出了主要受力构件的应力-应变状态，计算结果显示两种方案应力比均满足要求，截面较小的方案通过起拱挠度满足要求。随后本文对支座连接进行了初步设计，为同类工程改造设计提供了参考。关键词: 多折屋盖，方案设计，有限元分析，支座连接Abstract: In this paper, the structural design of the M-shaped space steel truss roof is presented. Two structural schemes are proposed respectively on front and back lighting surface. By using finite element analysis software Midas/Gen, the paper figures out the main stress components’ stress-strain state of two schemes. The calculation results show that the two schemes can satisfy the requirement of stress ratio, and the smaller section meets the requirements through arching deflections. After that, this paper gives a preliminary design of the support connection, which provides a reference for the design of similar projects. Keywords: multiple-folding roof, conceptual design, finite element analysis，joints of support

0项目概述

随着经济的发展和科学技术的不断进步，人们对结构的空间和跨度的要求越来越高。钢管桁架结构作为一种典型的空间结构体系，其自身截面特性良好，具有承载性能高、造型美观、外型简洁、流畅、节点形式简单、施工简单、节省材料等特点，因此在建筑结构，尤其是大跨度空间结构中得到了广泛的应用。本文采用M形空间钢管桁架进行了屋盖结构方案设计，并采用Midas/Gen软件对其进行了有限元分析。

在某学校改扩建项目中，少年科学馆是其标志建筑，集学习、参观、展示、交流于一体的综合空间。其中庭顶部设计一双坡多折钢屋盖，该部位作为室内空间向室外中庭的延续，使用了大片天窗幕墙，营造轻盈通透的感觉。这就要求不能有多余的结构构件，普通的平面和空间钢桁架显然不能满足美观要求。现拟充分利用现有的M形造型来设计异形空间钢桁架，力求做到建筑与结构完美结合，对结构方案进行比选和探讨。建筑设计示意图及屋盖效果图如图1、图2所示，平面布置图如图3所示。

图4 屋盖立面图

方案二示意图如图7所示，其中②面为玻璃幕墙采光面，主要杆件尺寸见表2，方案二的总用钢量为21.8吨。

2主要结果分析

MIDAS/ Gen是一款建筑结构通用有限元分析和设计软件，适用于各类结构的分析与设计如：钢筋混凝土结构、钢结构、空间大跨结构、组合结构、网架及索缆结构等工业与民用建筑。可进行静力、动力弹塑性分析、预应力分析、施工阶段分析、反应谱分析、非线性分析、时程分析及钢结构优化，可以导入PKPM、AutoCAD、SAP2000等文件，便于互相校核[2]。因此本文采用Midas/Gen计算软件对两种屋盖方案进行计算。

经计算方案一的挠度和各组合工况最大应力比计算结果如图8、图9所示，最大变形约55mm，其中DZ方向为48mm，对应的荷载工况为1.0恒+1.0雪，满足限值要求（L/400）；最大应力比为0.877，满足要求（应力比限值取0.9）[3]。

图10 方案二挠度

图13 A处参考连接形式图14 B处参考连接形式

其中B处弦杆连接采用铰接连接（或沿桁架跨度DX方向可采用长圆孔释放，仅约束DY和DZ方向）[5]。连接形式如图14所示，桁架弦杆需要搁置在主体结构混凝土梁或柱的牛腿上。

两处的支座设计保证连接部位可以有效的传递应力，使上部屋盖具有可靠的强度和稳定性，并且施工合理方便。

6 结论

(1)结构的屋盖设计应根据建筑要求，考虑结构安全、施工合理及经济性，从而合理选择屋盖的结构形式。利用MIDAS软件对屋盖进行对比分析，分析结果显示方案一的最大应力比为0.877，方案二的最大应力比为0.825，两个结构方案均能满足承载力和变形要求，其中结构方案二杆件尺寸更小，玻璃幕墙采光面的通透性也更好，用钢量更省，也更为接近效果图，因此方案二是更优设计。

(2)论文随后讨论了屋面结构与主体结构的连接支座设计，保证了上部屋盖的强度和稳定性，为同类工程改造设计提供了参考。参考文献:

[1]建筑结构荷载规范:GB 50009-2012[S].北京:中国建筑工业出版社, 2012.

[2]宋晓红,徐瑞,景辉,李令. 乌兰察布城展馆结构设计[J]. 建筑结构,2015,45(03):87-92.

[3]钢结构设计规范:GB 50017-2003[S].北京：中国计划出版社,2003.

[4]罗尧治,娄荣,刘海峰. 空间钢结构临时支撑布置的应变能跟踪算法[J]. 浙江大学学报(工学版),2010,44(12):2332-2336.

[5]苗吉军,侯晓燕,王典武,刘延春,白小军. 大跨度异形钢桁架安装过程试验研究及实时监控[J]. 建筑结构,2013,43(06):22-27.