管廊鋼桁架的設(shè)計(jì)

趙瀟晗

（華陸工程科技責(zé)任有限公司，西安 710065）

1 鋼桁架的特點(diǎn)和應(yīng)用

鋼桁架是一種整體以受彎為主、桿件以受軸力為主的結(jié)構(gòu)形式。與梁結(jié)構(gòu)相比，其優(yōu)點(diǎn)是充分利用材料的強(qiáng)度，在跨度比較大時(shí)更節(jié)省材料，減輕自重，增大剛度。因此，在工業(yè)和民用建筑中，鋼桁架得到了廣泛應(yīng)用，如鋼結(jié)構(gòu)大跨度屋面、大跨橋梁、鋼棧橋、管廊等結(jié)構(gòu)形式。

2 鋼桁架的分類

按結(jié)構(gòu)的形式和受力特點(diǎn)，鋼桁架主要分為平面桁架和空間桁架2類；按結(jié)構(gòu)的形式和受力特點(diǎn)，鋼桁架主要分為平面桁架和空間桁架2類；按桿件內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造特點(diǎn)，可以分為重型、輕型和普通型桁架。常用的平面桁架外形如圖1所示。

圖1 常用的平面桁架外形

3 受力分析

3.1 計(jì)算假定

做以下假定：（1）假設(shè)桁架中所有的節(jié)點(diǎn)均為鉸接；（2）桿件軸線平直相交于節(jié)點(diǎn)中心；（3）荷載作用線通過桁架節(jié)點(diǎn)；（4）所有桿件軸線及荷載作用線在同一平面內(nèi)。

在此假定下，桁架內(nèi)所有桿件均為二力桿（只受沿桿軸線大小相等、方向相反的兩個(gè)力的桿），這樣的桁架為理想平面桁架。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

1）根據(jù)平衡理論，節(jié)點(diǎn)承受匯交力系作用，逐次建立各節(jié)點(diǎn)的投影平衡方程：∑X=0、∑Y=0，可求出所有的未知桿件內(nèi)力，這種方法稱結(jié)點(diǎn)法，最適用于簡(jiǎn)單桁架。求解時(shí)可根據(jù)平衡理論先判定零桿，并盡可能避免解聯(lián)立方程，有時(shí)只需求少數(shù)桿件內(nèi)力。

2）對(duì)于聯(lián)合桁架和復(fù)雜桁架，節(jié)點(diǎn)法無法奏效時(shí)需用截面法，有選擇地截?cái)鄺U件（一般不超過3根）以桁架的局部為平衡對(duì)象，由平衡方程即可求得所需桿件軸力。

3）對(duì)于桿件很多的復(fù)雜桁架或空間桁架，最好選擇電算法。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 項(xiàng)目概況

萬華化學(xué)MDI技改項(xiàng)目的丙烷脫硫管廊主項(xiàng)，管廊跨度25 m，柱距6 m，每層荷載20 kN/m，層高2 m。橫梁規(guī)格為HN300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm。將荷載按恒載∶活載=1∶2的比例計(jì)算，輸入PKPM模型（考慮到活荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.4，恒荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.2，這樣更不利）。

4.2 設(shè)計(jì)思路

4.2.1 外形選擇

工程中桁架形式多種多樣，為方便管道支撐通常采用平行弦桁架。斜桿向下傾斜時(shí)，上弦受壓，下弦受拉，豎桿受壓，斜桿受拉，受力更合理。

4.2.2 桿件截面選擇

截面選擇的原則有：鋼桁架中拉桿應(yīng)滿足強(qiáng)度和容許長(zhǎng)細(xì)比的要求，壓桿應(yīng)滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和容許長(zhǎng)細(xì)比的要求。并將斜桿傾角控制在40°～50°。另外，為便于制造和施工，在同一桁架平面內(nèi)桿件種類不宜太多，最好不超過5種。使用PKPM程序計(jì)算，對(duì)3種桁架截面形式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

由此得出以下幾點(diǎn)：

1）由于桿件均為軸心受力構(gòu)件，拉桿強(qiáng)度僅與凈截面面積有關(guān)；壓桿強(qiáng)度和凈截面面積、穩(wěn)定系數(shù)有關(guān)。所以3種桁架形式桿件用鋼量的差別不大，在5%以內(nèi)。管廊弦桿平面內(nèi)外計(jì)算長(zhǎng)度相同時(shí)，相同截面積下剖分T形鋼平面內(nèi)、外受壓性能更好，更經(jīng)濟(jì)。

2）根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（附條文說明）》[1]3.4.2條，對(duì)單面連接的單角鋼按軸心受力時(shí)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以折減系數(shù)0.85，計(jì)算時(shí)PKPM程序已根據(jù)相關(guān)要求考慮了折減系數(shù)。單角鋼連接簡(jiǎn)單，但受力復(fù)雜，荷載由弦桿的腹板傳遞，不經(jīng)過桿件截面的形心，造成了力的偏心。所以當(dāng)荷載較大時(shí)，腹桿宜選用雙角鋼或剖分T形鋼。

3）宜優(yōu)先選用肢寬壁薄的截面，使桿件在相同用鋼量的情況下具有較大的回轉(zhuǎn)半徑和慣性矩。

4）在實(shí)際結(jié)構(gòu)中桁架有自重，即使荷載是作用于結(jié)點(diǎn)上，在自重的作用下各桿件產(chǎn)生彎曲變形，并不像理想桁架那樣只有均布的軸力，故產(chǎn)生的附加內(nèi)力稱為次應(yīng)力（主要為彎矩）。次應(yīng)力產(chǎn)生的原因有：因結(jié)點(diǎn)剛性而產(chǎn)生的次應(yīng)力；因各桿的軸線不能完全通過鉸心而產(chǎn)生的次應(yīng)力；因非結(jié)點(diǎn)荷載而產(chǎn)生的次應(yīng)力。

GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（附條文說明）》8.4.5條指出，對(duì)用節(jié)點(diǎn)板連接的桁架，當(dāng)桿件為H形、箱形等剛度較大的截面，且在桁架平面內(nèi)的桿件截面高度h與其幾何長(zhǎng)度（節(jié)點(diǎn)中心間的距離L）之比h/L大于1/10（對(duì)弦桿）或1/15（對(duì)腹桿）時(shí)，應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)剛性所引起的次彎矩。對(duì)桿件為單角鋼、雙角鋼或T形截面的桁架結(jié)構(gòu)且為結(jié)點(diǎn)荷載時(shí)，可忽略次應(yīng)力的影響。但上述標(biāo)準(zhǔn)中并未指出如何計(jì)算次彎矩的效應(yīng)，所以用H形鋼截面做弦桿應(yīng)盡量遵守標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，優(yōu)先選擇寬翼緣H形鋼。

表1 不同截面特性表

5）防腐及防火對(duì)鋼結(jié)構(gòu)非常重要，剖分T形鋼和H形鋼在這一點(diǎn)上優(yōu)勢(shì)明顯。

4.2.3 高跨比

桁架因高度不同對(duì)內(nèi)力的影響較大，因此對(duì)不同高度下的桁架性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表2。

由表2可以看出，當(dāng)管廊高度每增加20%～25%時(shí)，相同截面下弦桿承載力可以提高18%～25%，撓度可以減小20%～25%，幾乎呈線性增長(zhǎng)，而腹桿受力變化在可接受范圍內(nèi)，總體用鋼量?jī)H增加1%～4%。所以在設(shè)計(jì)跨度較大的跨路管廊時(shí)可以和上游專業(yè)協(xié)商，合理增加桁架高度，本項(xiàng)目此部分層高從2 m協(xié)商調(diào)至2.3 m，使設(shè)計(jì)更加優(yōu)化。

4.2.4 節(jié)點(diǎn)形式

從節(jié)點(diǎn)形式上看，剖分T形鋼和單角鋼組合桁架節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，無須節(jié)點(diǎn)板，焊縫數(shù)量少，施工方便，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。雙角鋼桁架和H形鋼桁架均需要節(jié)點(diǎn)板，制作麻煩，焊接量大。

5 結(jié)語

本文通過調(diào)整鋼桁架高度，對(duì)管廊鋼桁架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。從桁架的截面選擇和節(jié)點(diǎn)形式2方面對(duì)剖分T形鋼、H形鋼、雙角鋼桁架進(jìn)行比較，認(rèn)為剖分T形鋼作為桁架弦桿可以滿足使用要求，受力合理，減少或不用連接板，便于制作和安裝。

近年來，剖分T形鋼的使用逐漸增多，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家已有用剖分T形鋼取代雙角鋼的趨勢(shì)。我國(guó)目前也已經(jīng)頒布了相應(yīng)的圖集06SG515-2《輕型屋面梯形鋼屋架（剖分T形鋼弦桿）》。剖分T型鋼易于涂漆且其抗腐蝕性能好，可延長(zhǎng)其使用壽命且降低造價(jià)，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果好，可以在工程中推廣。

表2 不同高度下的桁架性能對(duì)比表