钢管三角桁架作为某工程竖向和水平构件的设计

钢管三角桁架作为某工程竖向和水平构件的设计

摘要：本文介绍了某大型展览馆门厅的设计，设计中根据建筑造型的要求，结构的竖向和水平构件均采用了钢管三角桁架。该工程的跨度m，设计时采用了midas-Gen软件进行结构的受力分析，着重分析了结构的承载能力、变形能力、动力特性等，以期能使结构设计经济合理。

关键词：三角桁架；承载能力；变形能力；动力特性

1. 引言

钢管桁架结构形式因其可实现较大跨度、施工方便、自重较轻、稳定性好、且能较好的表现建筑造型，近年来在我国的建筑工程中采用较多。本文利用作者参与设计的一项工程，进行了钢管三角桁架结构体系的各项受力分析，以体现三角桁架体系的某些结构性能。

2. 工程概况

某大型展览馆的入口门厅的竖向和水平构件均采用三角桁架体系。水平三角桁架为鱼腹式，跨度m，端部失高（上下弦杆中心距）为0，跨中失高为5000mm，桁架上弦设置两根受压弦杆，下弦设置一根受压弦杆，上下弦杆均为弧形，上下弦间设置斜腹杆相连，组成整体的三角桁架体系。竖向三角桁架的弦杆为直杆，失高最大处（位于与水平三角桁架相交处）2600mm，三根弦杆间设置水平腹杆相连，水平腹杆间距为3000mm。设计时将水平与竖向三角桁架连接处设为铰接，为防止结构整体成为机构，故在竖向的三角桁架和水平的三角桁架间设置拉索和刚性撑杆。水平三角桁架间布置了撑杆以保证其上部受压弦杆的稳定性。

整体的结构布置如下图：

图1 结构整体布置图

3. 计算模型

本结构体系的弦杆采用贯通的钢管，腹杆直接采用相贯焊焊于弦杆上。考虑到水平桁架腹杆的截面尺寸与其节点间长度之比较小，故杆件的线刚度较小，相应分配到的弯矩较小，在计算分析中将其简化为桁架单元（轴心受力单元）。

而竖向桁架的杆件和水平桁架的弦杆因其可能受到一定量的弯矩，在计算分析中稳妥起见，将其设置为梁单元（拉压弯剪扭均可承受），而竖向桁架与水平桁架间的拉索根据其实际受力状况，设置为只受拉单元。

根据上述对结构中各杆件受力状况的初步分析，采用midas Gen Ver.730有限元分析软件进行结构分析。

4. 分析结果

首先，根据截面的长细比要求并经过试算，确定各主要杆件的截面尺寸如下：

水平桁架弦杆：Φ299x12；

水平桁架腹杆：Φ140x6。

竖向桁架弦杆：Φ325x20；

竖向桁架腹杆：Φ140x6。

将上述截面代入模型进行计算，计算工况包括恒载、活载、水平风荷载、水平地震作用。计算结果如下：

a. 杆件的应力水平。水平桁架的弦杆最大应力为100.7N/mm2；竖向桁架的弦杆最大应力为197.3 N/mm2。

b. 结构的竖向位移。在恒活荷载标准工况下水平桁架跨中的竖向位移为46mm，约为其跨度的1/1174。

c. 结构的水平位移。在水平地震作用下，结构体系沿水平桁架方向的层间位移为14mm，约为其层高的1/975。

d. 结构的动力特性。结构的前几项振型均以结构的整体变形为主，未出现水平桁架或竖向桁架的自振。

根据上述结果，可以看出水平三角桁架的杆件截面主要以长细比控制为主，其自身刚度较大，在荷载作用下挠度较小，也不大容易出现局部自振。竖向三角桁架的自身刚度也较大，但其截面控制以承载力控制为主。在设置足够的支撑及拉索的前提下，结构的整体刚度也较好。

5. 结语

本文简单介绍了某三角桁架结构体系的分析设计，证实了三角桁架结构体系一些优点：可实现较大跨度、自身刚度较好、用钢量较小、设计简单等。在

今后的一些大型展览馆、机场、车站等大型公共建筑中，可较多的采用。

参考文献：

【1】 中华人民共和国建设部. GB50017-2003钢结构设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2003.

【2】 袁健，蒋沧如. 大跨度方钢管空间析架结构优化设计[J]. 钢结构，2007,11(22)：28-31.

【3】王文明，陈企奋. 钢管空间桁架屋盖体系在某船舶工业厂房中的应用[J]. 建筑钢结构进展. 2003，5(3)：17-20