空間鋼管梭形鋼架設(shè)計(jì)簡述

1、空間鋼管梭形桁架設(shè)計(jì)簡述國標(biāo)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003增加了“鋼管結(jié)構(gòu)”一章，為鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用創(chuàng)造了良好的技術(shù)條件?？臻g桁架本身是立體的，平面外剛度大，自成穩(wěn)定體系，利于吊裝和使用，因之可以簡化甚至取消支撐，吊裝與使用兩階段受力狀態(tài)基本一致，不會(huì)因吊裝而增加用料。吊裝簡單，減少大量高空作業(yè),若采用鋼管桿件，則比平面桁架可節(jié)省鋼材3050，節(jié)點(diǎn)采用鋼管相貫連接，省去節(jié)點(diǎn)板，減少了管材接頭，節(jié)約用料。空間鋼管桁架的形狀若采用梭形，即是本文所介紹的空間鋼管梭形桁架。1、空間鋼管梭形桁架的優(yōu)勢(shì)：采用圓鋼管作為桿件形成的兩端尖而中間粗的空間桁架形式也稱之為空間鋼管梭形桁架。該桁架如果外形尺寸

2、確定恰當(dāng)，不但各桿件受力合理，而且外觀也相當(dāng)漂亮，可用于有檁屋蓋，也可用于無檁屋蓋。近年來在各種工業(yè)生產(chǎn)廠房、倉庫、某些公共建筑等屋蓋中得到廣泛應(yīng)用。它的主要優(yōu)勢(shì)在于：1.1它是空間結(jié)構(gòu)，各個(gè)桿件之間互相起支撐作用，既是受力桿件也是支撐桿件，能夠充分發(fā)揮各個(gè)桿件的作用，整個(gè)屋蓋系統(tǒng)除設(shè)置少量系桿外，一般不需要其他支撐系統(tǒng)，這樣不但節(jié)省了鋼材，且施工簡便快捷。1.2桁架的形狀為梭形，和簡支梁在均布荷載下的彎矩圖形狀相似，這樣弦桿跨中和端部桿件內(nèi)力相差不大，受力均勻合理，能很好地發(fā)揮各個(gè)桿件的作用，避免了梯形桁架端部和三角形桁架跨中弦桿截面積富余較多的弊端。1.3桿件為鋼管，鋼管截面強(qiáng)度大，抗壓抗

3、扭性能好，鋼管和大氣接觸表面積小，易于防腐，這是其他形式桿件無法比擬的。1.4普通平面鋼桁架的節(jié)點(diǎn)板占鋼桁架總重的12左右，鋼管空間梭形桁架構(gòu)件之間為直接焊接，僅用少量連接板，節(jié)約用鋼量，減少現(xiàn)場施焊。1.5桁架的形狀感覺輕巧美觀。2、空間鋼管梭形桁架外形尺寸的確定2.1梭形桁架高跨比的確定如圖一所示，梭形桁架的高度h要根據(jù)荷載大小和使用要求等綜合考慮，通常取h/L1/201/13，對(duì)于輕型桁架，當(dāng)靜載設(shè)計(jì)值q3.0KN/時(shí)，h/L1/15左右較為經(jīng)濟(jì)，當(dāng)更輕時(shí)，可取h/L1/201/15。2.2梭形桁架細(xì)部尺寸確定根據(jù)屋面材料、坡度、檁條間距以及腹桿與弦桿的夾角等確定a1和a3尺寸，一般取a

4、1a2,a1正常是檁條間距，a3a1，a0（1.21.5）a1，300550。圖一梭形屋架外形圖2.3 桿件直徑和壁厚的確定 恰當(dāng)?shù)倪x擇斜腹桿d1與弦桿的直徑d0之比d1/d0.使其之間有良好的焊接性能,且腹桿端頭切割簡單,連接方便,應(yīng)使d1/d0<1.0. 弦桿壁厚t0與腹桿壁厚t1之比值t0/t1在可能條件下應(yīng)大一點(diǎn)好,一般在2.0左右.<<鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范>>GB500017-2003規(guī)定圓鋼管的外經(jīng)與壁厚之比不應(yīng)超過100(235/fy).對(duì)梭形桁架而言,弦桿直徑d0和壁厚t0之比通常取2030.對(duì)受壓弦桿要盡量取值大一點(diǎn),對(duì)抗壓穩(wěn)定性有利.而對(duì)受拉弦桿則可

5、小些.腹桿壁之間的間隙a要適當(dāng)a>t1+t2(t1和t2為兩腹桿之壁厚)主要是為了保證腹桿腳趾處有足夠的空隙,能很好的施焊,便于焊縫檢驗(yàn).但a值太大會(huì)降低節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度.2.4梭形桁架斷面的形式屋架斷面分為正三角形和倒三角形兩種，一般來說當(dāng)桁架跨度L和間距S不太大時(shí)（一般L40m，S8.0m），多采用正三角形斷面形式，當(dāng)L和S較大時(shí)，多采用倒三角形斷面形式。桁架寬高比b/h和c/h一般在1/31/2之間。兩種斷面形式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比正三角形斷面倒三角形斷面上小下大，重心低，自身穩(wěn)定性好，上弦壓桿為1根，比分為2根可以承受較大壓力上弦之間有水平連桿，上弦支撐好，可以減小檁條跨度。上弦平面可做成矩形，

6、抗扭剛度大，但要增大支座寬度3、梭形桁架的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1內(nèi)力分析鋼管梭形桁架是靜定的空間桁架，可簡化為平面桁架進(jìn)行分析，把桁架上弦（下弦）的豎向（或水平）荷載分解到平面屋架上進(jìn)行分析，如圖二把荷載P分解為P作用在平面屋架上進(jìn)行分析。屋面荷載都集中到節(jié)點(diǎn)上，如果節(jié)點(diǎn)之間有檁條的話，則應(yīng)另考慮它對(duì)屋架的影響。計(jì)算簡圖詳見圖二。按圖上計(jì)算的上弦內(nèi)力乘以2以后才是上弦的實(shí)際內(nèi)力；對(duì)倒三角形而言，按此方法計(jì)算得到的下弦內(nèi)力需要乘以2以后才是下弦的實(shí)際內(nèi)力。可用計(jì)算機(jī)按空間桁架進(jìn)行詳細(xì)內(nèi)力計(jì)算與分析,以此作為設(shè)計(jì)的依據(jù).3.2撓度驗(yàn)算這種桁架一般不進(jìn)行撓度驗(yàn)算，在制作時(shí)，18m跨度以上宜起拱，撓度取1/5

7、00L。當(dāng)荷載和跨度較大時(shí)，有較大懸掛荷載時(shí)，或者有特殊要求時(shí)應(yīng)驗(yàn)算撓度。按結(jié)構(gòu)力學(xué)的虛力原理可計(jì)算屋架的撓度值。圖二梭形屋架計(jì)算簡圖3.3上弦桿局部彎矩的計(jì)算屋架跨度較大時(shí)，上弦節(jié)點(diǎn)之間的距離也相應(yīng)增大，節(jié)點(diǎn)之間存在支承檁條作用的節(jié)點(diǎn)荷載，此時(shí)上弦桿產(chǎn)生的局部彎矩可近似按下列規(guī)定取用（圖三）。端節(jié)點(diǎn)正彎矩取0.8M0，其它相應(yīng)節(jié)點(diǎn)間的正、負(fù)彎矩（包括屋脊節(jié)點(diǎn)）均取0.6M0，M0為節(jié)點(diǎn)間作為單跨簡支梁計(jì)算的最大彎矩圖三上弦桿局部彎矩圖3.4弦桿偏心引起的次彎矩計(jì)算當(dāng)弦桿節(jié)點(diǎn)上有偏心距時(shí)，由此產(chǎn)生的次彎矩M=N·e，N為n節(jié)點(diǎn)上兩邊弦桿拉（壓）內(nèi)力之差，e為節(jié)點(diǎn)偏心距。次彎矩M按節(jié)點(diǎn)

8、上兩邊弦桿的線剛比進(jìn)行分配，如圖四所示。計(jì)算某弦桿應(yīng)力時(shí)，應(yīng)考慮該節(jié)間同一截面處局部彎矩和次彎矩的作用，按壓（拉）彎桿件計(jì)算。圖四次彎矩圖3.5連接焊縫的計(jì)算精確地計(jì)算腹桿與弦桿的連接焊縫十分復(fù)雜，考慮到應(yīng)用和計(jì)算方法方便等問題，把腹桿與弦桿的連接焊縫近似看作全周角焊縫進(jìn)行計(jì)算。4、主要節(jié)點(diǎn)形式及節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度計(jì)算4.1主要節(jié)點(diǎn)形式正三角形斷面形式的腹桿與下弦的連接和倒三角形斷面形式的腹桿與上弦的連接節(jié)點(diǎn)，可稱為單平面桁架節(jié)點(diǎn)；正三角形斷面形式的腹桿與上弦的連接和倒三角形斷面形式的腹桿與下弦的連接節(jié)點(diǎn)，可稱為雙平面桁架節(jié)點(diǎn)。其節(jié)點(diǎn)形式主要有圖五所示幾種。各種節(jié)點(diǎn)都有其特點(diǎn).圖五：主要節(jié)點(diǎn)形式a.單平

9、面K型節(jié)點(diǎn)b.單平面KY型節(jié)點(diǎn)c.單平面Y型節(jié)點(diǎn). d.雙平面KK型節(jié)點(diǎn) e. 雙平面KYKY型節(jié)點(diǎn) f.雙平面YY型節(jié)點(diǎn) 4.2節(jié)點(diǎn)偏心的影響實(shí)際工程中采用無偏心有間隙節(jié)點(diǎn)較好（節(jié)點(diǎn)a），盡量避免偏心，這是因?yàn)橛捎谄淖饔?，在弦桿中必定產(chǎn)生一定的次彎矩。如果偏心保持在0.55e/d00.25(e為偏心距,d0為圓主管外經(jīng))范圍內(nèi)，對(duì)受拉弦桿產(chǎn)生的偏心次彎矩影響可以忽略不計(jì)，而對(duì)于受壓桿件，不論偏心的大小，所產(chǎn)生的次彎矩影響都必須考慮,此時(shí)偏心彎矩: M=Nxe (N為節(jié)點(diǎn)兩側(cè)主管軸力之差)4.3節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度計(jì)算所謂節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度計(jì)算，就是為了保證節(jié)點(diǎn)處弦桿的強(qiáng)度，使腹桿的軸心力不得大于按規(guī)定計(jì)算的承載

10、力設(shè)計(jì)值。對(duì)梭形桁架而言，主要是計(jì)算單平面K型節(jié)點(diǎn)、雙平面KK型節(jié)點(diǎn)和單平面Y型節(jié)點(diǎn)，而單平面KY型節(jié)點(diǎn)和雙平面KYKY型節(jié)點(diǎn)，受力比較復(fù)雜。當(dāng)受力較大時(shí)，一般采用增加節(jié)點(diǎn)板或空心球來連接腹桿和弦桿。當(dāng)腹桿承受壓力過大時(shí)，節(jié)點(diǎn)的破壞主要是弦桿壁口局部屈曲引起，而當(dāng)腹桿承受過大拉力時(shí)，主要是弦桿破壞；當(dāng)弦桿承受壓力時(shí)，將促使節(jié)點(diǎn)的局部變形，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度隨腹桿壓應(yīng)力的增大而降低。為了保證節(jié)點(diǎn)處弦桿的強(qiáng)度，各種節(jié)點(diǎn)形式的腹桿軸心力不得大于計(jì)算的承載力設(shè)計(jì)值。各種不同節(jié)點(diǎn)形式其承載力的計(jì)算方法均按<<鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范>>GB50017-2003第10.3節(jié)執(zhí)行.5、桿件的計(jì)算長度與支

11、撐的布置空間梭形桁架的計(jì)算長度,腹桿在任意平面內(nèi)均取其幾何長度,對(duì)于正三角形斷面,下弦節(jié)點(diǎn)處設(shè)置了水平連桿,因此下弦的計(jì)算長度可取其幾何長度.上弦屋脊處兩腹桿間的夾角小,腹桿對(duì)上弦的側(cè)向支撐作用就小,屋脊處應(yīng)設(shè)通長系桿,隨著距跨中距離的增大,兩腹桿間的夾角也增大,沿桁架方向每隔6.08.0M設(shè)一道剛性系桿,上弦節(jié)點(diǎn)處均布置檁條,對(duì)桁架上弦也有較強(qiáng)的側(cè)向支撐作用.綜合考慮這些因素,上弦桿的計(jì)算長度可取其幾何長度.對(duì)于倒三角形斷面,上弦節(jié)點(diǎn)之間有水平連桿,上弦桿的側(cè)向剛度比正三角形斷面大,因此上下弦桿的計(jì)算長度均取其幾何長度.梭形桁架本身是一個(gè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu),一般情況下可不設(shè)置水平支撐,對(duì)于跨度較大,高度較高或有中級(jí)和中級(jí)以上起重量較大的吊車等情況下,應(yīng)設(shè)置水平支撐.6、小跨度空間梭形屋架的應(yīng)用當(dāng)空間梭形屋架跨度L14m，且屋蓋為輕型材料時(shí)，桿件采用的鋼材規(guī)格小而輕，上弦多采用單角鋼或鋼管，下弦和腹桿采用圓鋼或鋼管。此時(shí)斷面形式一般為正三角形。此時(shí)上弦為單一受壓桿件，材料耗量少而經(jīng)濟(jì)，檁條與上弦的連接也簡單。高跨比可取h/L=1/201/10，由于檁條通常作為上弦支撐桿件，所以上弦節(jié)點(diǎn)都必須布置檁條?？刂扑笮舞旒苌舷覘U的容許長細(xì)比150，腹桿和連桿受壓桿200，受拉桿400。小跨度空間梭形屋