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【摘 要】本文介绍了济钢新东区大门大跨度钢管桁架轻型屋盖的结构设计过程。通过屋盖结构形式的比较，决定采用倒三角形管桁架，钢管之间直接相贯焊接。应用三维有限元软件建模计算，对计算结果进行分析并得出一些经验。
【关键词】倒三角形管桁架;轻型屋盖;有限元
１．项目工程概况
济钢新东区大门是为了满足济钢“十一.五”重点工程投产后安全及物流需要而修建的。该大门两个主要出入口分别位于石河东西两侧，通过横跨石河的的轻钢屋盖将两侧大门联系起来。屋盖平面形状为矩形，东西长45m，南北宽8m。为了实现大门的建筑效果，要求屋盖截面高度不能超过1.2m。
２．屋盖结构形式的比较
在给定条件下，对焊接H型钢梁、平面桁架、网架、空间管桁架，在用钢量、屋面支撑系统、施工安装方便性、建筑效果等几个方面进行了研究比较：
２．１焊接H型钢梁具有加工制作简单、施工快捷等优点，缺点是耗钢量大，需要的支撑系统多，最主要是由于H型钢梁的截面高度大，不能满足建筑效果的要求。
２．２平面桁架相对于实腹式H型钢梁具有构造简单、自身质量小等優点，但其平面外刚度较差，屋面体系需设置水平支撑和垂直支撑，在加工制作，特别是安装起吊时，需采取一定的措施减少平面外弯曲并保证整体稳定性，另外，实腹式梁和垂直支撑使得建筑效果差。
２．３网架相对于H型钢和平面桁架，具有受力性能好，自身质量小的优点；缺点是施工要求高，工期长，安装时产生的次应力大，空间杆件繁多凌乱。
２．４空间管桁架由3个平面桁架组成的空间结构。与实腹式H型钢梁、平面桁架相比，平面外刚度大，提高了侧向稳定性和抗扭转刚度，能增加屋面整体刚度，并减少侧向支撑，同时由于其上弦顶面的宽度，可以减少檩条的计算跨度；另外空间桁架的使用，完全解决了平面桁架结构在加工制作、安装起吊过程中平面外刚度差和平面外挠曲等问题，满足大跨度结构的要求。
３．技术要求
3.1结构体系布置
经过以上屋盖结构形式的比较，决定采用倒三角截面的空间管桁架结构体系。其承重主要由钢桁架、屋盖支撑体系以及钢檩条组成。根据建筑柱网布置，钢桁架共计2榀，间距6m，采用三跨连续的倒三角形截面的钢管桁架。其跨度分别为6m、29 m、6m，支承于钢管柱上，并向四周各悬挑2m。倒三角形截面桁架的高和上边宽均为1 m。屋盖支撑的布置同普通钢屋盖的支撑布置原则相同，但由于上弦有纵向杆件连接，空间管桁架本身又是一个稳定体系，所以不必再设置其他支撑杆件就可以满足屋盖的刚度要求。
3.2荷载工况
基本工况为恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载，荷载组合按《建筑结构荷载规范》考虑。屋面的恒载、活载标准值分别为0．4kN／m2、0．5kN／m2。考虑了活载的最不利组合。
3.3计算分析
结构的计算采用了ANSYS、3D3S、SSDD PRO等多个计算软件对屋架进行三维有限元计算，并对整个结构在各种荷载工况下的内力组合进行对比分析。通过分析对结构各杆件截面进行优化，最终设计截面为：上弦杆为2根Φ180x10；下弦杆为一根Φ203x10；腹杆在支座处为Φ89x7，在其他位置为Φ68x5.5。通过计算表明：(1)不同的计算软件所得的构件内力基本一致，结构变形形状和变形量接近。 (2)由于结构为多跨连续管桁架，故在不设侧向支撑时，钢屋盖屈曲形态以平面外为表现形式，在本设计中通过设置多道侧向支撑构件，使结构稳定系数得到较大提高。(3)构件是否选用梁单元还是杆单元对设计结果影响不大。主要原因是管桁架只承受结点荷载的作用，各构件内力以轴力为主，弯矩较小。(4)从荷载组合结果来看，最不利荷载工况组合为：1.35永久荷载+1.4屋面活荷载±1.0温度效应，有地震作用参与的组合不起控制作用。这是由于屋盖自重较轻，在本工程6度抗震设防条件下，地震力相对较小。
3.4节点设计
管材选用Q235B钢无缝钢管。钢桁架、屋盖支撑体系的腹杆、内杆与上，下弦杆的连接，屋盖支撑体系与钢桁架的连接均采用圆钢管直接相贯焊接的节点连接方法，从而避免了传统的设置节点板进行焊接或采用螺栓球结点的连结方法，可以充分展现钢管结构轻巧、美观的特性。钢管相贯节点为主管连通，采用三维自动切管机对支管进行相贯线切割后，再焊接连结到主管上。钢檩条采用冷弯薄壁卷边槽钢C140x60x20x2.5，通过檩托按间距2 m架于上弦杆节点。钢檩条的拉条在檩条跨度的l／3处各设一道。钢檩条上覆轻型彩钢板，下衬铝镁锰合金屋面板，不仅满足建筑功能的要求，也加强了檩条的稳定性。
４．设计总结
通过济钢新东区大门屋盖管桁架的结构设计，主要围绕结构体系布置、管桁架计算模型、计算分析等方面研究，得出以下一些经验：
４．１计算分析表明，空间管桁架结构用于具有较大跨度的观赏建筑中，可充分发挥其优异的结构性能并实现美观的建筑体形，经过合理的结构设计，可以采用较小的用钢量，实现经济和美观的统一。
４．２采用倒三角形截面的管桁架在平面外稳定性较弱，在设计中应通过增设横向和纵向支撑来形成儿何不变体系；否则应进行平面外的稳定分析。
４．３管桁架计算模型中采用刚性节点与弹性节点对内力分析的影响不大。
４．４地震作用参与的组合不起控制作用，故在6度设防条件下，水平地震作用可以忽略。■
■
【参考文献】
［１］J.Wardenier(J.沃登尼尔)著；张其林，刘大康译．钢管截面的结构应用．上海：同济大学出版社，2004.
［２］张荣山．空间钢结构设计与施工．北京：中国石化出版社，2001.
［３］GB 50017—2003 钢结构设计规范.
［４］GB 50009—2001(2006年版) 建筑结构荷载规范.
【关键词】倒三角形管桁架;轻型屋盖;有限元
１．项目工程概况
济钢新东区大门是为了满足济钢“十一.五”重点工程投产后安全及物流需要而修建的。该大门两个主要出入口分别位于石河东西两侧，通过横跨石河的的轻钢屋盖将两侧大门联系起来。屋盖平面形状为矩形，东西长45m，南北宽8m。为了实现大门的建筑效果，要求屋盖截面高度不能超过1.2m。
２．屋盖结构形式的比较
在给定条件下，对焊接H型钢梁、平面桁架、网架、空间管桁架，在用钢量、屋面支撑系统、施工安装方便性、建筑效果等几个方面进行了研究比较：
２．１焊接H型钢梁具有加工制作简单、施工快捷等优点，缺点是耗钢量大，需要的支撑系统多，最主要是由于H型钢梁的截面高度大，不能满足建筑效果的要求。
２．２平面桁架相对于实腹式H型钢梁具有构造简单、自身质量小等優点，但其平面外刚度较差，屋面体系需设置水平支撑和垂直支撑，在加工制作，特别是安装起吊时，需采取一定的措施减少平面外弯曲并保证整体稳定性，另外，实腹式梁和垂直支撑使得建筑效果差。
２．３网架相对于H型钢和平面桁架，具有受力性能好，自身质量小的优点；缺点是施工要求高，工期长，安装时产生的次应力大，空间杆件繁多凌乱。
２．４空间管桁架由3个平面桁架组成的空间结构。与实腹式H型钢梁、平面桁架相比，平面外刚度大，提高了侧向稳定性和抗扭转刚度，能增加屋面整体刚度，并减少侧向支撑，同时由于其上弦顶面的宽度，可以减少檩条的计算跨度；另外空间桁架的使用，完全解决了平面桁架结构在加工制作、安装起吊过程中平面外刚度差和平面外挠曲等问题，满足大跨度结构的要求。
３．技术要求
3.1结构体系布置
经过以上屋盖结构形式的比较，决定采用倒三角截面的空间管桁架结构体系。其承重主要由钢桁架、屋盖支撑体系以及钢檩条组成。根据建筑柱网布置，钢桁架共计2榀，间距6m，采用三跨连续的倒三角形截面的钢管桁架。其跨度分别为6m、29 m、6m，支承于钢管柱上，并向四周各悬挑2m。倒三角形截面桁架的高和上边宽均为1 m。屋盖支撑的布置同普通钢屋盖的支撑布置原则相同，但由于上弦有纵向杆件连接，空间管桁架本身又是一个稳定体系，所以不必再设置其他支撑杆件就可以满足屋盖的刚度要求。
3.2荷载工况
基本工况为恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载，荷载组合按《建筑结构荷载规范》考虑。屋面的恒载、活载标准值分别为0．4kN／m2、0．5kN／m2。考虑了活载的最不利组合。
3.3计算分析
结构的计算采用了ANSYS、3D3S、SSDD PRO等多个计算软件对屋架进行三维有限元计算，并对整个结构在各种荷载工况下的内力组合进行对比分析。通过分析对结构各杆件截面进行优化，最终设计截面为：上弦杆为2根Φ180x10；下弦杆为一根Φ203x10；腹杆在支座处为Φ89x7，在其他位置为Φ68x5.5。通过计算表明：(1)不同的计算软件所得的构件内力基本一致，结构变形形状和变形量接近。 (2)由于结构为多跨连续管桁架，故在不设侧向支撑时，钢屋盖屈曲形态以平面外为表现形式，在本设计中通过设置多道侧向支撑构件，使结构稳定系数得到较大提高。(3)构件是否选用梁单元还是杆单元对设计结果影响不大。主要原因是管桁架只承受结点荷载的作用，各构件内力以轴力为主，弯矩较小。(4)从荷载组合结果来看，最不利荷载工况组合为：1.35永久荷载+1.4屋面活荷载±1.0温度效应，有地震作用参与的组合不起控制作用。这是由于屋盖自重较轻，在本工程6度抗震设防条件下，地震力相对较小。
3.4节点设计
管材选用Q235B钢无缝钢管。钢桁架、屋盖支撑体系的腹杆、内杆与上，下弦杆的连接，屋盖支撑体系与钢桁架的连接均采用圆钢管直接相贯焊接的节点连接方法，从而避免了传统的设置节点板进行焊接或采用螺栓球结点的连结方法，可以充分展现钢管结构轻巧、美观的特性。钢管相贯节点为主管连通，采用三维自动切管机对支管进行相贯线切割后，再焊接连结到主管上。钢檩条采用冷弯薄壁卷边槽钢C140x60x20x2.5，通过檩托按间距2 m架于上弦杆节点。钢檩条的拉条在檩条跨度的l／3处各设一道。钢檩条上覆轻型彩钢板，下衬铝镁锰合金屋面板，不仅满足建筑功能的要求，也加强了檩条的稳定性。
４．设计总结
通过济钢新东区大门屋盖管桁架的结构设计，主要围绕结构体系布置、管桁架计算模型、计算分析等方面研究，得出以下一些经验：
４．１计算分析表明，空间管桁架结构用于具有较大跨度的观赏建筑中，可充分发挥其优异的结构性能并实现美观的建筑体形，经过合理的结构设计，可以采用较小的用钢量，实现经济和美观的统一。
４．２采用倒三角形截面的管桁架在平面外稳定性较弱，在设计中应通过增设横向和纵向支撑来形成儿何不变体系；否则应进行平面外的稳定分析。
４．３管桁架计算模型中采用刚性节点与弹性节点对内力分析的影响不大。
４．４地震作用参与的组合不起控制作用，故在6度设防条件下，水平地震作用可以忽略。■
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【参考文献】
［１］J.Wardenier(J.沃登尼尔)著；张其林，刘大康译．钢管截面的结构应用．上海：同济大学出版社，2004.
［２］张荣山．空间钢结构设计与施工．北京：中国石化出版社，2001.
［３］GB 50017—2003 钢结构设计规范.
［４］GB 50009—2001(2006年版) 建筑结构荷载规范.