【關(guān)鍵詞】管桁架；受力；結(jié)構(gòu)計算；截面尺寸的影響 

　　近年來，隨著我國鋼鐵產(chǎn)量的不斷增長，鋼結(jié)構(gòu)以其自身的優(yōu)勢，在建筑中所占的比例越來越大，鋼管結(jié)構(gòu)也取得較大的突破。鋼管結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是能將人們對建筑物的功能要求、感觀要求以及經(jīng)濟效益要求完美地結(jié)合在一起。鋼管結(jié)構(gòu)中的管桁架結(jié)構(gòu)以它獨特的優(yōu)勢受到人們的青睞。 

　　1、管桁架結(jié)構(gòu)的受力特點 

　　管桁架，是指用圓桿件在端部相互連接而組成的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的開口截面（H型鋼和I字鋼）鋼桁架相比，管桁架結(jié)構(gòu)截面材料繞中和軸較均勻分布，使截面同時具有良好的抗壓和抗彎扭承載能力及較大剛度，不用節(jié)點板，構(gòu)造簡單；制作安裝方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、屋蓋剛度大�？臻g三角形鋼管桁架在受到豎向均布荷載作用的時候，表現(xiàn)出腹桿抗剪、弦桿抗彎的受力機理。弦桿軸力的主要影響因素是截面的高度，而豎面斜腹桿軸力的主要影響因素是豎面腹桿與豎直線的傾角，水平腹桿在豎向荷載作用下的受力較小，但是如果受到明顯的扭矩作用的話，必須考慮適當(dāng)加大其截面尺寸。 

　　2、管桁架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)計算 

　　2.1設(shè)計基本規(guī)定 

　　立體桁架的高度可取跨度的1/12～1/16；立體拱架的拱架厚度可取跨度1/20～1/30，矢高可取跨度的1/3～1/6。弦桿（主管）與腹桿（支管）及兩腹桿（支管）之間的夾角不宜小于30°。當(dāng)立體桁架跨度較大（一般認(rèn)為不小于30m鋼結(jié)構(gòu)）時，可考慮起拱，起拱值可取不大于立體桁架跨度的1/300（一般取1/500）。此時桿件內(nèi)力變化“較小”，設(shè)計時可按不起拱計算。管桁架結(jié)構(gòu)在恒荷載與活荷載標(biāo)準(zhǔn)作用下的最大撓度值不宜超過短向跨度的1/250，懸挑不宜超過跨度1/125。對于設(shè)有懸掛起重設(shè)備的屋蓋結(jié)構(gòu)最大撓度不宜大于結(jié)構(gòu)跨度的1/400。當(dāng)僅為改善外觀要求時，最大撓度可取恒荷載與活荷載標(biāo)準(zhǔn)作用下?lián)隙葴p去起拱值。一般情況下，按強度控制面而選用的桿件不會因為種種原因樣的剛度要求而加大截面。 

　　2.2一般計算原則 

　　管桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行重力荷載及風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力、位移計算，并應(yīng)根據(jù)具體情況，對地震、溫度變化、支座沉降及施工安裝荷載等作用下的位移、內(nèi)力進(jìn)行計算，內(nèi)力和位移可按彈性理論，采用空間桿系的有限元方法進(jìn)行計算。對非抗震設(shè)計，作用及作用組合的效應(yīng)應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行計算，在桿件截面及節(jié)點設(shè)計中，應(yīng)按作用基本組合的效應(yīng)確定內(nèi)力設(shè)計值；對抗震設(shè)計，地震組合的效應(yīng)應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行計算，在位移驗算中，應(yīng)按作用標(biāo)準(zhǔn)組合的效應(yīng)（不乘荷載分項系數(shù)）的效應(yīng)確定其撓度。分析管桁架時，當(dāng)桿件的節(jié)間長度與截面高度（或直徑）之比小于12（主管）和24（支管）時，也可假定節(jié)點為鉸接。外荷載可按靜力等效原則將節(jié)點所轄區(qū)域內(nèi)的荷載集中作用在該節(jié)點上。當(dāng)桿件上作用有局部荷載時，應(yīng)另行考慮局部彎曲應(yīng)力的影響。結(jié)構(gòu)分析時，應(yīng)考慮上部空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)于下部支承結(jié)構(gòu)的相互影響；另外應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、支座節(jié)點的位置、數(shù)量和構(gòu)造情況以及支承結(jié)構(gòu)的剛度，確定合理的邊界約束條件。支座節(jié)點的邊界約束條件，應(yīng)按實際構(gòu)造采用無側(cè)移或一側(cè)可側(cè)移的鉸接支座或彈性支座。 

　　2.3靜力計算 

　　管桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)經(jīng)過位移、內(nèi)力計算后進(jìn)行桿件截面設(shè)計，如桿件截面需要調(diào)整應(yīng)重新進(jìn)行設(shè)計，使其滿足設(shè)計要求。設(shè)計后，桿件不宜替換，如因備料困難等原因必須進(jìn)行桿件替換時，應(yīng)根據(jù)截面及剛度等效的原則進(jìn)行，被替換的桿件應(yīng)不是結(jié)構(gòu)的主要受力桿件且數(shù)量不宜過多（通常不超過全部桿件的5%），否則應(yīng)重新校核。分析管桁架結(jié)構(gòu)因溫度變化而產(chǎn)生的內(nèi)力，可將溫差引起的桿件固端反力作為等效荷載反向作用在桿件兩端節(jié)點上，然后按有限元法分析。 

　　2.4抗震計算 

　　在單維地震作用下，進(jìn)行多遇地震作用下的效應(yīng)計算時，可采用振興分解反應(yīng)譜法，對于體形復(fù)雜或重要的大跨度結(jié)構(gòu)應(yīng)采用時程分析進(jìn)行補充計算。采用時程分析法時，應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用不少于兩組的實際強震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線，其平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振形分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符。加速度曲線峰值應(yīng)根據(jù)與抗震設(shè)防烈度相應(yīng)的多遇地震的加速度時程曲線最大值進(jìn)行調(diào)整，并應(yīng)選擇足夠長的地震動持續(xù)時間。當(dāng)采用振形分解反應(yīng)譜法進(jìn)行管桁架結(jié)構(gòu)地震作用分析時，建議至少取前25～30個振形，對體形特別復(fù)雜或重要的需要取更多振形進(jìn)行效應(yīng)組合。在抗震分析時，應(yīng)考慮支承體系對其受力的影響。此時可將桁架結(jié)構(gòu)與支承體系同時考慮，按整體分析模型進(jìn)行計算；也可把支承體系簡化為管桁架結(jié)構(gòu)的彈性支座，按彈性支承模型進(jìn)行計算。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)分析時，對于周邊落地的管桁架結(jié)構(gòu)，阻尼比可取0.02，對有混凝土結(jié)構(gòu)支承的管桁架結(jié)構(gòu)，阻尼比取0.03。對于體形復(fù)雜或較大跨度的管桁架結(jié)構(gòu)，宜進(jìn)行多維地震作用下的效應(yīng)分析。進(jìn)行多維地震效應(yīng)計算時，可采用多維隨機振動分析方法、多維反應(yīng)譜法或時程分析法。 

　　2.5計算軟件 

　　目前，能對桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行前處理分析驗算，后處理節(jié)點設(shè)計出圖的有STS、STCAD、MST2006、3D3S。STS桁架模塊能方便建立平面桁架模型，但不能建立空間桁架模型。STCAD的建模以及模型編輯功能都比較強，但是操作上比較不便，截面定義、分組繁瑣，其后處理節(jié)點設(shè)計的參數(shù)比較豐富。MST2006的桁架模型基本上套用網(wǎng)架模型的驗算功能。3D3S可方便輸入單元、節(jié)點、局部單元荷載，各種工況荷載都可以通過導(dǎo)荷載的方式由面荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點荷載，風(fēng)荷載可自動考慮風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)；可套用多種規(guī)范進(jìn)行驗算，特有同一模型中對不同的單元采用不同的控制參數(shù)功能；可方便輸出模型以及每一單元在各工況、組合下的內(nèi)力、位移、應(yīng)力比圖；后處理節(jié)點設(shè)計中，可進(jìn)行圓管相貫節(jié)點設(shè)計，圓管與矩型管連接節(jié)點設(shè)計，多管相交相貫節(jié)點設(shè)計；管桁架板支座、焊接球支座設(shè)計；能輸出腹桿相貫線數(shù)控切割數(shù)據(jù)；因此，工程中最常使用計算軟件為3D3S。 

　　3、桁架截面尺寸變化對其內(nèi)力的影響 

　　對于空間三角形鋼管桁架而言，當(dāng)確定了截面高度、上弦寬度以及節(jié)間長度后可確定一種截面形狀。隨著上弦寬度的變化，弦桿的內(nèi)力基本上保持不變，但是腹桿和跨中撓度都有顯著的變化。上弦寬度的增加，造成豎面腹桿的傾角相應(yīng)增加，豎面腹桿的軸力在持續(xù)增加，傳遞到水平面上垂直腹桿的力也在增加。同時，豎面腹桿軸力的增加也造成了桿件剪切變形的增加，反映到結(jié)構(gòu)即是結(jié)構(gòu)跨中撓度的增加。在截面彎矩不變的情況下，上下弦桿的內(nèi)力也僅僅是當(dāng)截面高度有變化的時候，才會發(fā)生較大幅度的變化，跟其它的截面參數(shù)沒有關(guān)系。同時隨著截面高度的增加，由于傾角的減少，腹桿的軸力表現(xiàn)持續(xù)的減少，而由于彎曲變形和剪切變形的減少，跨中的撓度也逐漸變小。截面高度是影響構(gòu)件選擇尤其是弦桿選擇的一個非常重要的因素，其對結(jié)構(gòu)剛度的影響也是非常顯著的，遠(yuǎn)大于其它因素。節(jié)間長度的大小會直接導(dǎo)致腹桿夾角的改變。改變節(jié)間長度以后，弦桿的內(nèi)力略有變化；同時腹桿的軸力有了相應(yīng)的變化，隨著節(jié)間長度的增加，豎面腹桿的傾角相應(yīng)增加，所以豎面腹桿的軸力在持續(xù)加大，傳遞到水平面上垂直腹桿的力也在增加。跨中撓度也隨著節(jié)間長度的增加呈減少的趨勢，最后趨于穩(wěn)定。從中可以看出如果腹桿布置過密，對結(jié)構(gòu)的剛度沒有起到積極的作用，反而加大了跨中撓度。但節(jié)間長度也并非是越大越好，為了保證腹桿與弦桿的連接的可靠，一般的傾角控制在35°～55°之間。 

　　4、結(jié)論 

　　管桁架結(jié)構(gòu)因具有造型美觀、制作安裝方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、屋蓋剛度大、經(jīng)濟效果好等特點，已廣泛用于公共建筑中。在設(shè)計過程中，必須把握管桁架的受力特點，才能設(shè)計出安全可靠、經(jīng)濟美觀的管桁架項目。 

　　參考文獻(xiàn) 

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　　[3]戚豹，康文梅《管桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工》.中國建筑工業(yè)出版社，2012 

　　[4]王杰，王俊平，王治.《空間鋼管桁架幾何尺寸對其內(nèi)力變化的影響》.科學(xué)技術(shù)與工程2010第10卷第3期