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深度剖析管桁架施工的設計特點和結構計算

發布時間:2016-06-28 14:20:48  共閱讀:114次
近年來,隨著我國鋼鐵產量的不斷增長,鋼結構以其自身的優勢,在建筑中所占的比例越來越大,鋼管

結構也取得較大的突破。鋼管結構的最大優點是能將人們對建筑物的功能要求、感觀要求以及經濟效益

要求完美地結合在一起。鋼管結構中的管桁架結構以它獨特的優勢受到人們的青睞。

1、管桁架結構的受力特點

管桁架,是指用圓桿件在端部相互連接而組成的格構式結構。與傳統的開口截面(H型鋼和I字鋼)鋼桁

架相比,管桁架結構截面材料繞中和軸較均勻分布,使截面同時具有良好的抗壓和抗彎扭承載能力及較

大剛度,不用節點板,構造簡單;制作安裝方便、結構穩定性好、屋蓋剛度大。空間三角形鋼管桁架在

受到豎向均布荷載作用的時候,表現出腹桿抗剪、弦桿抗彎的受力機理。弦桿軸力的主要影響因素是截

面的高度,而豎面斜腹桿軸力的主要影響因素是豎面腹桿與豎直線的傾角,水平腹桿在豎向荷載作用下

的受力較小,但是如果受到明顯的扭矩作用的話,必須考慮適當加大其截面尺寸。

2、管桁架結構的結構計算

2.1設計基本規定

立體桁架的高度可取跨度的1/12~1/16;立體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。弦桿(主管)與腹桿(支管)及兩腹桿(支管)之間的夾角不宜小于30°。當立體桁架跨度

較大(一般認為不小于30m鋼結構)時,可考慮起拱,起拱值可取不大于立體桁架跨度的1/300(一般取

1/500)。此時桿件內力變化“較小”,設計時可按不起拱計算。管桁架結構在恒荷載與活荷載標準作

用下的最大撓度值不宜超過短向跨度的1/250,懸挑不宜超過跨度1/125。對于設有懸掛起重設備的屋蓋

結構最大撓度不宜大于結構跨度的1/400。當僅為改善外觀要求時,最大撓度可取恒荷載與活荷載標準

作用下撓度減去起拱值。一般情況下,按強度控制面而選用的桿件不會因為種種原因樣的剛度要求而加

大截面。

2.2一般計算原則

管桁架結構應進行重力荷載及風荷載作用下的內力、位移計算,并應根據具體情況,對地震、溫度變化

、支座沉降及施工安裝荷載等作用下的位移、內力進行計算,內力和位移可按彈性理論,采用空間桿系

的有限元方法進行計算。對非抗震設計,作用及作用組合的效應應按現行國家標準《建筑結構荷載規范

》進行計算,在桿件截面及節點設計中,應按作用基本組合的效應確定內力設計值;對抗震設計,地震

組合的效應應按現行國家標準《建筑抗震設計規范》進行計算,在位移驗算中,應按作用標準組合的效

應(不乘荷載分項系數)的效應確定其撓度。分析管桁架時,當桿件的節間長度與截面高度(或直徑)

之比小于12(主管)和24(支管)時,也可假定節點為鉸接。外荷載可按靜力等效原則將節點所轄區域

內的荷載集中作用在該節點上。當桿件上作用有局部荷載時,應另行考慮局部彎曲應力的影響。結構分

析時,應考慮上部空間網格結構于下部支承結構的相互影響;另外應根據結構形式、支座節點的位置、

數量和構造情況以及支承結構的剛度,確定合理的邊界約束條件。支座節點的邊界約束條件,應按實際

構造采用無側移或一側可側移的鉸接支座或彈性支座。

2.3靜力計算

管桁架結構應經過位移、內力計算后進行桿件截面設計,如桿件截面需要調整應重新進行設計,使其滿

足設計要求。設計后,桿件不宜替換,如因備料困難等原因必須進行桿件替換時,應根據截面及剛度等

效的原則進行,被替換的桿件應不是結構的主要受力桿件且數量不宜過多(通常不超過全部桿件的5%)

,否則應重新校核。分析管桁架結構因溫度變化而產生的內力,可將溫差引起的桿件固端反力作為等效

荷載反向作用在桿件兩端節點上,然后按有限元法分析。

2.4抗震計算

在單維地震作用下,進行多遇地震作用下的效應計算時,可采用振興分解反應譜法,對于體形復雜或重

要的大跨度結構應采用時程分析進行補充計算。采用時程分析法時,應按建筑場地類別和設計地震分組

選用不少于兩組的實際強震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線,其平均地震影響系數曲線應與振形

分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。加速度曲線峰值應根據與抗震設防烈度相

應的多遇地震的加速度時程曲線最大值進行調整,并應選擇足夠長的地震動持續時間。當采用振形分解

反應譜法進行管桁架結構地震作用分析時,建議至少取前25~30個振形,對體形特別復雜或重要的需要

取更多振形進行效應組合。在抗震分析時,應考慮支承體系對其受力的影響。此時可將桁架結構與支承

體系同時考慮,按整體分析模型進行計算;也可把支承體系簡化為管桁架結構的彈性支座,按彈性支承

模型進行計算。在進行結構地震作用效應分析時,對于周邊落地的管桁架結構,阻尼比可取0.02,對有

混凝土結構支承的管桁架結構,阻尼比取0.03。對于體形復雜或較大跨度的管桁架結構,宜進行多維地

震作用下的效應分析。進行多維地震效應計算時,可采用多維隨機振動分析方法、多維反應譜法或時程

分析法。

2.5計算軟件

目前,能對桁架結構進行前處理分析驗算,后處理節點設計出圖的有STS、STCAD、MST2006、3D3S。STS

桁架模塊能方便建立平面桁架模型,但不能建立空間桁架模型。STCAD的建模以及模型編輯功能都比較

強,但是操作上比較不便,截面定義、分組繁瑣,其后處理節點設計的參數比較豐富。MST2006的桁架

模型基本上套用網架模型的驗算功能。3D3S可方便輸入單元、節點、局部單元荷載,各種工況荷載都可

以通過導荷載的方式由面荷載轉化為節點荷載,風荷載可自動考慮風壓高度變化系數、風振系數;可套

用多種規范進行驗算,特有同一模型中對不同的單元采用不同的控制參數功能;可方便輸出模型以及每

一單元在各工況、組合下的內力、位移、應力比圖;后處理節點設計中,可進行圓管相貫節點設計,圓

管與矩型管連接節點設計,多管相交相貫節點設計;管桁架板支座、焊接球支座設計;能輸出腹桿相貫

線數控切割數據;因此,工程中最常使用計算軟件為3D3S。

3、桁架截面尺寸變化對其內力的影響

對于空間三角形鋼管桁架而言,當確定了截面高度、上弦寬度以及節間長度后可確定一種截面形狀。隨

著上弦寬度的變化,弦桿的內力基本上保持不變,但是腹桿和跨中撓度都有顯著的變化。上弦寬度的增

加,造成豎面腹桿的傾角相應增加,豎面腹桿的軸力在持續增加,傳遞到水平面上垂直腹桿的力也在增

加。同時,豎面腹桿軸力的增加也造成了桿件剪切變形的增加,反映到結構即是結構跨中撓度的增加。

在截面彎矩不變的情況下,上下弦桿的內力也僅僅是當截面高度有變化的時候,才會發生較大幅度的變

化,跟其它的截面參數沒有關系。同時隨著截面高度的增加,由于傾角的減少,腹桿的軸力表現持續的

減少,而由于彎曲變形和剪切變形的減少,跨中的撓度也逐漸變小。截面高度是影響構件選擇尤其是弦

桿選擇的一個非常重要的因素,其對結構剛度的影響也是非常顯著的,遠大于其它因素。節間長度的大

小會直接導致腹桿夾角的改變。改變節間長度以后,弦桿的內力略有變化;同時腹桿的軸力有了相應的

變化,隨著節間長度的增加,豎面腹桿的傾角相應增加,所以豎面腹桿的軸力在持續加大,傳遞到水平

面上垂直腹桿的力也在增加。跨中撓度也隨著節間長度的增加呈減少的趨勢,最后趨于穩定。從中可以

看出如果腹桿布置過密,對結構的剛度沒有起到積極的作用,反而加大了跨中撓度。但節間長度也并非

是越大越好,為了保證腹桿與弦桿的連接的可靠,一般的傾角控制在35°~55°之間。

4、結論

管桁架結構因具有造型美觀、制作安裝方便、結構穩定性好、屋蓋剛度大、經濟效果好等特點,已廣泛

用于公共建筑中。在設計過程中,必須把握管桁架的受力特點,才能設計出安全可靠、經濟美觀的管桁

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