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摘要：桁架在工业设计中较为普遍，但对于大跨度的桁架通廊一般较少接触，笔者结合2500m3高炉工程上料主胶带机通廊的设计过程，通过电算分析桁架弦杆、腹杆计算长度系数确定，节点板设计、施工时的注意事项，介绍在设计过程中的一些经验。
关键词：大跨度桁架 计算长度系数 节点板设计
中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1 引言
桁架主要是轴心受力构件(拉杆和压杆)组成的的格构式扩大构件，用以承受横向荷载和跨越较大的空间，当跨度较大采用实腹式受弯构件将造成多费钢材时，就需采用桁架。目前工业项目自动化程度逐步提高，工程项目规模越来越大，尤其是工业项目中，为满足工艺及空间利用的要求，桁架的使用较为普遍，笔者结合2500m3高炉工程上料主胶带机通廊钢桁架工程，对大跨度桁架的优化设计，介绍自己的处理方法。
2 工程概况
本工程为2500m3高炉工程上料主胶带机通廊，通廊总长度(平面尺寸252.8米)，通廊爬升角度约为10.863º，通廊支座最高点距地面53.42米，支座最低点距地面6.52米，通廊支座高差47.8米。由于通廊需穿越多条铁路、公路及部分高炉附属设备构筑物，共有支架 5个，包括1个固定支架、4个活动支架。
通廊最高点支承于高炉42.3米钢平台上，通廊最大跨度66.720米(斜长)。通廊断面为4.8×5m(宽×高)，通廊维护结构采用100厚彩色岩棉复合夹芯板。
本工程地处八钢，实际计算时，荷载取值如下(均为标准值)：
屋面积灰荷载：1.0KN/m2(高炉中心≤50米范围内)；通廊内平台灰荷载：0.5KN/m2；
屋面雪荷载：0.8KN/m2；
风荷载(距地面H=10米)：0.8KN/m2，按距地面55米高计算，风荷载取1.35 KN/m2；
通廊内平台检修荷载：4KN/m2，屋面按不上人屋面考虑活荷载0.5 KN/m2；
通廊内平台恒荷载：1.5KN/m2；屋面恒荷载：1.0KN/m2；墙体恒荷载：0.35KN/m。
图1为桁架通过电算得出的构件及内力图
桁架设计时，高度取跨度的1/10～1/18,跨度越大时，比值可取小些，本工程中，工艺要求高度为净空高度2.8米，经结构调整为5米，取跨度的1/13左右。
内力分析时，假定所有荷载均通过次梁传递至桁架节点上，各杆件轴线在节点处都能相交于一点，所有杆件均是等截面直杆，所有节点均为理想铰接。上述假设在实际工程中除理想铰接点与实际构造有出入
图 1桁架构件及内力图
外，一般都能通过结构布置和施工要求控制实现。经分析：当杆件为H形和箱型等刚度较大的截面，且在桁架平面内的杆件截面高度与其节点中心间的几何长度之比大于1/10(对弦杆)或1/5(对腹杆)时，因节点刚性引起的次弯矩才应予以考虑。本例中，弦杆、腹杆均未考虑次弯矩的影响。腹杆布置时，使长腹杆受拉，短腹杆受压，斜腹杆的倾角控制在35º～55º，目的是减小腹杆的截面积。根据内力选择上、下弦杆，分别为BH350X350X18X25(Q345B)、BH350X350X18X22(Q345B)。其他杆件截面详见图1.
3 计算长度系数取值
计算长度系数μ取决于屈曲时构件两端位移所受到的约束程度，是确定杆件计算长度的重要参数。在桁架平面内，桁架为一几何不变的杆件体系，因而各节点均可看作几何不动点。杆件屈曲时端部受到的约束将只是转动约束。当相交杆件数量较少、相交杆件的线刚度小于所考虑杆件的线刚度和相交杆件为本身会屈曲的压杆时，则给予的约束程度就小，反之则大。
在桁架平面内，与弦杆相交的腹杆，其刚度远较弦杆为小，因而认为对弦杆可不计腹杆对其屈曲时的端部转动约束影响，桁弦架支座斜杆的刚度与杆的刚度大小为同阶，支座斜杆和支座竖杆上端与受压弦杆相连，下端只在支座节点的一侧与受拉弦杆相连，故认为对其两端的转动约束均不大，因而《钢结构设计规范》【1】GB50017-2003中规定弦杆和支座弦杆(支座豎杆)在桁架平面内的计算长度系数取μ=1.0。对单系腹杆(即无中间节点的腹杆)，其上端与受压弦杆相连，对其转动约束影响不大，而其下端与受拉弦杆相连，对其转动约束的影响较大，桁架平面内的计算长度系数取μ=0.8。
在桁架平面外，弦杆的计算长度取其侧向支承点的距离，在桁架的上、下水平面内设置了交叉支撑，计算长度取节间长度。弦杆的截面较腹杆为大，侧向刚度也强，因而桁架弦杆可视为腹杆的侧向支承点。所有腹杆在平面外的计算长度系数取μ=1.0。
在斜平面的计算长度系数，本工程中设置的双角钢十字截面腹杆，其主轴不在桁架平面内，杆件屈曲将发生与桁架平面斜交的平面内，《钢规》【1】规定不在支座处的此类腹杆，计算长度系数μ=0.9。
在使用计算软件时，可通过以上计算长度系数的取用调整弦杆、腹杆的计算长度，使模型与实际受力情况更加吻合，杆件计算长度取值与杆件受力状态更加合理。
4 节点板设计
节点板的受力情况极其复杂，较难正确而又方便地计算其所需厚度。对节点板厚度的确定主要是依据传统的经验按杆件内力设计值大小查表确定。见《钢结构-原理与设计》【2】节点板一节。这种方法主要一点是必须使屋架弦杆在节点处保持连续，当因运送单元长度限制或其他原因，弦杆必须在节点处切断时，也应另设拼接材料使其左右两节间中的内力能通过拼接件直接传递。如图2所示如果在图中弦杆1和弦杆2在节点处切断而不加拼接件，节点板的厚度就要在交会于该节点的5根杆件中择其受力最大者来确定，
图 2桁架构件及内力图
而弦杆的内力一般远大于腹杆内力，节点板的厚度将因此需加大，节点板的受力情况也将恶化，这时节点板与弦杆1和2连接角焊缝的总和需传递内力N1+N2。桁架中节点板厚度宜取相等，容许支座处节点板较其他节点的节点板加厚2mm，本工程中支座处节点板t=20，其他t=18。
5 施工要求
钢结构的施工必须由具有相应资质的施工单位承担，施工前需依据本设计图示内力及有关规范进行节点连接设计，且连接的强度须留有不小于15%的连接强度。钢结构施工，焊接变形较大，施工时必须保证各杆件轴线在节点处能相交于一点，这样才能与计算假定相符。另外为了消除桁架在使用阶段产生的部分挠度以改善桁架的使用情况和外观上变形的直觉，制造时应使起拱。本工程中桁架起拱90mm。约为跨度的1/750。
参考文献：
[1]《钢结构设计规范》GB50017-2003 [S].2003版 北京：中国计划出版社
[2]《钢结构-原理与设计》夏志斌 姚谏 编著 北京：中国建筑工业出版社
关键词：大跨度桁架 计算长度系数 节点板设计
中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1 引言
桁架主要是轴心受力构件(拉杆和压杆)组成的的格构式扩大构件，用以承受横向荷载和跨越较大的空间，当跨度较大采用实腹式受弯构件将造成多费钢材时，就需采用桁架。目前工业项目自动化程度逐步提高，工程项目规模越来越大，尤其是工业项目中，为满足工艺及空间利用的要求，桁架的使用较为普遍，笔者结合2500m3高炉工程上料主胶带机通廊钢桁架工程，对大跨度桁架的优化设计，介绍自己的处理方法。
2 工程概况
本工程为2500m3高炉工程上料主胶带机通廊，通廊总长度(平面尺寸252.8米)，通廊爬升角度约为10.863º，通廊支座最高点距地面53.42米，支座最低点距地面6.52米，通廊支座高差47.8米。由于通廊需穿越多条铁路、公路及部分高炉附属设备构筑物，共有支架 5个，包括1个固定支架、4个活动支架。
通廊最高点支承于高炉42.3米钢平台上，通廊最大跨度66.720米(斜长)。通廊断面为4.8×5m(宽×高)，通廊维护结构采用100厚彩色岩棉复合夹芯板。
本工程地处八钢，实际计算时，荷载取值如下(均为标准值)：
屋面积灰荷载：1.0KN/m2(高炉中心≤50米范围内)；通廊内平台灰荷载：0.5KN/m2；
屋面雪荷载：0.8KN/m2；
风荷载(距地面H=10米)：0.8KN/m2，按距地面55米高计算，风荷载取1.35 KN/m2；
通廊内平台检修荷载：4KN/m2，屋面按不上人屋面考虑活荷载0.5 KN/m2；
通廊内平台恒荷载：1.5KN/m2；屋面恒荷载：1.0KN/m2；墙体恒荷载：0.35KN/m。
图1为桁架通过电算得出的构件及内力图
桁架设计时，高度取跨度的1/10～1/18,跨度越大时，比值可取小些，本工程中，工艺要求高度为净空高度2.8米，经结构调整为5米，取跨度的1/13左右。
内力分析时，假定所有荷载均通过次梁传递至桁架节点上，各杆件轴线在节点处都能相交于一点，所有杆件均是等截面直杆，所有节点均为理想铰接。上述假设在实际工程中除理想铰接点与实际构造有出入
图 1桁架构件及内力图
外，一般都能通过结构布置和施工要求控制实现。经分析：当杆件为H形和箱型等刚度较大的截面，且在桁架平面内的杆件截面高度与其节点中心间的几何长度之比大于1/10(对弦杆)或1/5(对腹杆)时，因节点刚性引起的次弯矩才应予以考虑。本例中，弦杆、腹杆均未考虑次弯矩的影响。腹杆布置时，使长腹杆受拉，短腹杆受压，斜腹杆的倾角控制在35º～55º，目的是减小腹杆的截面积。根据内力选择上、下弦杆，分别为BH350X350X18X25(Q345B)、BH350X350X18X22(Q345B)。其他杆件截面详见图1.
3 计算长度系数取值
计算长度系数μ取决于屈曲时构件两端位移所受到的约束程度，是确定杆件计算长度的重要参数。在桁架平面内，桁架为一几何不变的杆件体系，因而各节点均可看作几何不动点。杆件屈曲时端部受到的约束将只是转动约束。当相交杆件数量较少、相交杆件的线刚度小于所考虑杆件的线刚度和相交杆件为本身会屈曲的压杆时，则给予的约束程度就小，反之则大。
在桁架平面内，与弦杆相交的腹杆，其刚度远较弦杆为小，因而认为对弦杆可不计腹杆对其屈曲时的端部转动约束影响，桁弦架支座斜杆的刚度与杆的刚度大小为同阶，支座斜杆和支座竖杆上端与受压弦杆相连，下端只在支座节点的一侧与受拉弦杆相连，故认为对其两端的转动约束均不大，因而《钢结构设计规范》【1】GB50017-2003中规定弦杆和支座弦杆(支座豎杆)在桁架平面内的计算长度系数取μ=1.0。对单系腹杆(即无中间节点的腹杆)，其上端与受压弦杆相连，对其转动约束影响不大，而其下端与受拉弦杆相连，对其转动约束的影响较大，桁架平面内的计算长度系数取μ=0.8。
在桁架平面外，弦杆的计算长度取其侧向支承点的距离，在桁架的上、下水平面内设置了交叉支撑，计算长度取节间长度。弦杆的截面较腹杆为大，侧向刚度也强，因而桁架弦杆可视为腹杆的侧向支承点。所有腹杆在平面外的计算长度系数取μ=1.0。
在斜平面的计算长度系数，本工程中设置的双角钢十字截面腹杆，其主轴不在桁架平面内，杆件屈曲将发生与桁架平面斜交的平面内，《钢规》【1】规定不在支座处的此类腹杆，计算长度系数μ=0.9。
在使用计算软件时，可通过以上计算长度系数的取用调整弦杆、腹杆的计算长度，使模型与实际受力情况更加吻合，杆件计算长度取值与杆件受力状态更加合理。
4 节点板设计
节点板的受力情况极其复杂，较难正确而又方便地计算其所需厚度。对节点板厚度的确定主要是依据传统的经验按杆件内力设计值大小查表确定。见《钢结构-原理与设计》【2】节点板一节。这种方法主要一点是必须使屋架弦杆在节点处保持连续，当因运送单元长度限制或其他原因，弦杆必须在节点处切断时，也应另设拼接材料使其左右两节间中的内力能通过拼接件直接传递。如图2所示如果在图中弦杆1和弦杆2在节点处切断而不加拼接件，节点板的厚度就要在交会于该节点的5根杆件中择其受力最大者来确定，
图 2桁架构件及内力图
而弦杆的内力一般远大于腹杆内力，节点板的厚度将因此需加大，节点板的受力情况也将恶化，这时节点板与弦杆1和2连接角焊缝的总和需传递内力N1+N2。桁架中节点板厚度宜取相等，容许支座处节点板较其他节点的节点板加厚2mm，本工程中支座处节点板t=20，其他t=18。
5 施工要求
钢结构的施工必须由具有相应资质的施工单位承担，施工前需依据本设计图示内力及有关规范进行节点连接设计，且连接的强度须留有不小于15%的连接强度。钢结构施工，焊接变形较大，施工时必须保证各杆件轴线在节点处能相交于一点，这样才能与计算假定相符。另外为了消除桁架在使用阶段产生的部分挠度以改善桁架的使用情况和外观上变形的直觉，制造时应使起拱。本工程中桁架起拱90mm。约为跨度的1/750。
参考文献：
[1]《钢结构设计规范》GB50017-2003 [S].2003版 北京：中国计划出版社
[2]《钢结构-原理与设计》夏志斌 姚谏 编著 北京：中国建筑工业出版社