钢管桁架空间结构设计

近年来，随着我国钢材产量的不断增长，钢结构以其自身的优势在建筑中所占的比重越来越大，钢管结构也取得了很大的突破。钢管结构的最大优点是能很好地结合人们对建筑的功能要求、感官要求和经济效益要求。钢管桁架结构以其独特的优点受到人们的青睐。

        1 管桁架结构的力学特性

        管桁架结构是在网架结构的基础上发展起来的。与空间桁架结构相比，管桁架结构具有独特的优势和实用性，结构的用钢量也相对经济。与空间桁架结构相比，管桁架结构省去了空间桁架下弦杆和球节点，能满足不同建筑形式的要求，特别是圆拱和任意曲线形状比空间桁架结构更为有利。四面稳定，节省材料消耗。

        与传统的开口截面钢桁架（h型钢和I型钢）相比，管桁架结构的截面材料绕中性轴均匀分布，使截面具有良好的压扭承载力和较大的刚度，不需要节点板，结构简单。

        最重要的是管桁架结构外形美观，造型方便，具有一定的装饰效果。该管桁架结构整体性能好，抗扭刚度高，外形美观，制造、安装、翻转、吊装相对容易。冷弯薄壁型钢屋架具有结构轻巧、刚度好、节约钢材、充分利用材料强度等优点。特别是在长细比控制的压杆和支撑体系中更为经济。目前，采用这种结构的建筑物基本上属于公共建筑物。该结构具有外形美观（可做成平板形、圆弧形、任意曲线形）、制作安装方便、结构稳定性好、屋面刚度大、经济效果好等特点。

        2 管桁架结构的结构计算

        2.1 基本设计规则

        三维桁架的高度可为跨度的1/12～1/16。三维拱的拱厚可达跨度的1/20～1/30，拱高可达跨度的1/3～1/6。弦（主管）与腹杆（支管）和两腹杆（支管）夹角不得小于30度。当立体桁架跨度较大（一般不小于30m钢结构）时，可考虑起拱，起拱值不大于立体桁架跨度的1/300（一般为1/500）。此时杆件内力变化较小，设计时不能用拱计算。管桁架结构在恒载和活载标准下的最大挠度值不应超过短跨度的1/250，悬臂不应超过跨度的1/125。悬吊吊装设备屋面结构的最大挠度不应大于结构跨度的1/400。当仅改善外观要求时，在恒载和活载标准下，最大挠度可取挠度减去鼓包值。

        2.2 计算的一般原则

        计算管桁架结构在重力荷载和风荷载作用下的内力和位移，并根据具体情况计算地震、温度变化、支座沉降和施工安装荷载作用下的位移和内力。根据空间杆系的弹性理论和有限元方法，可以计算出空间杆系的内力和位移。非抗震设计按现行国家标准《建筑结构荷载规范》计算作用效果和作用组合，按杆件截面和节点设计中作用基本组合效果确定内力设计值。抗震设计中，地震组合效应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》计算。在位移计算中，其挠度应根据组合功能标准的影响确定（不乘以荷载分项系数）。在分析管桁架时，当杆件节间长度与截面高度（或直径）之比小于12（主管）和24（支管）时，也可以假定节点是铰接的。根据静态等效原则，外部荷载可以将节点管辖区域内的荷载集中在节点上。当构件承受局部荷载时，应分别考虑局部弯曲应力的影响。在分析结构时，应考虑上部空间网格结构与下部支撑结构之间的相互作用。

        2.3 静态计算

        管桁架结构应设计为截面杆件经过位移和内力计算。如需调整杆件截面，应重新设计以满足设计要求。设计完毕后，不应更换钢筋，如因备料困难等原因必须更换钢筋时，应按等效截面和刚度原则进行，更换的钢筋不应是结构的主要受力钢筋，数量不应过多（一般不超过全部钢筋的5%），否则应重新检查。分析温度变化引起的管桁架结构内力，可以将温差引起的杆件固定端反力作为杆件两端节点上的等效荷载，然后按有限元方法进行分析。

        2.4 地震计算

        在计算一维地震作用下的频繁地震效应时，可采用振兴分解反应谱法，并应采用时程分析法补充复杂或重要大跨度结构的计算。采用时程分析法时，应根据建筑场地类别和设计地震分组选择不少于两组实际强震记录和一组人工模拟加速度时程曲线，平均地震影响系数曲线应与振动分解反应谱法采用的地震影响系数曲线在统计意义上一致。加速度曲线峰值应根据抗震设防烈度对应的频繁地震加速度时程曲线最大值进行调整，并选择足够的地震动持续时间。采用振型分解反应谱法对管桁架结构进行地震作用分析时，建议至少取前25～30个振型，当振型特别复杂或重要时，应取更多振型进行效果组合。在抗震分析中，应考虑支承体系对其应力的影响。此时，桁架结构和支撑体系可以同时考虑，并根据整体分析模型进行计算。还可以将支撑体系简化为管桁架结构的弹性支撑，并根据弹性支撑模型进行计算。在分析结构地震效应时，周边楼层的管桁架结构阻尼比取0.02，混凝土结构支撑的管桁架结构阻尼比取0.03。对于形状复杂、跨度大的管桁架结构，宜进行多维地震作用下的效应分析。计算多维地震效应时，可采用多维随机振动分析法、多维反应谱法或时程分析法。

        2.5 计算软件

        目前，桁架结构可以进行预处理、分析和校核。可以使用STS、STCAD、MST2006和3d3s进行后处理节点的设计。STS桁架模块可以方便地建立平面桁架模型，但不能建立空间桁架模型。STCAD具有强大的建模和模型编辑功能，但操作不便，截面定义和分组复杂，处理后节点设计参数丰富。MST2006的桁架模型基本上应用了桁架模型的校核功能。3d3s可以方便地输入机组、节点和局部机组载荷，通过导向载荷将各种工况下的载荷从表面载荷转换为节点载荷，风荷载可以自动考虑风压高度和风振系数的变化系数。可应用各种规格进行校核计算，同一型号的不同机组可采用不同的控制参数函数。便于输出不同工况和组合下各单元的模型及内力、位移、应力比图。在后处理节点设计中，可以进行圆管相贯节点设计、圆管与矩形管相贯节点设计和多管相贯节点设计。管桁架板支架和焊球支架的设计：可输出腹杆相贯线的数控切割数据；因此，工程上最常用的计算软件是3D3S。

        3 桁架截面尺寸变化对其内力的影响

        对于空间三角形钢管桁架，在确定截面高度、上弦杆宽度和节间长度后，即可确定截面形状。随着上弦杆宽度的变化，弦杆内力基本保持不变，腹板和跨中挠度变化较大。上弦杆宽度的增大导致竖向腹板倾角相应增大，竖向腹板轴力不断增大，水平平面上传递给竖向腹板的力也随之增大。同时，竖向腹板构件轴力的增加也导致构件剪切变形的增加，这反映出该结构是跨中挠度的增加。在截面弯矩不变的情况下，上下弦杆的內力只有在截面高度变化时才会发生显著变化，而与其它截面参数无关。

        随着截面高度的增加，腹板构件的轴力性能随着倾角的减小而不断降低，而跨中挠度随着弯曲变形和剪切变形的减小而逐渐减小。截面高度是影响构件选择尤其是弦杆选择的重要因素，截面高度对结构刚度的影响也非常显著，远远大于其他因素。节间长度将直接导致腹杆之间角度的变化。节间长度变化后，弦杆内力变化不大。同时，腹板构件的轴力也发生了相应的变化。

        随着节间长度的增加，竖向腹板构件的倾角相应增大，竖向腹板构件的轴力不断增大，水平平面上传递给竖向腹板构件的力也随之增大。跨中挠度随节间长度的增加而减小，最终趋于稳定。

        4 结语

        总之，管桁架结构具有外形美观、制作安装方便、结构稳定性好、屋盖刚度大、经济效益好等优点，在公共建筑中得到了广泛的应用。在设计过程中，必须掌握管桁架的受力特点，才能设计出安全、可靠、经济、美观的管桁架工程。

        参考文献：

        [1] 林勇.探析管桁架结构设计存在问题及对策[J].建筑科技，2017（9）：23～24.