鋼結構二維桁架建模比較

張穎

（南京西普水泥工程集團有限公司，江蘇 南京 210000）

1 工程概況

水泥廠因為工藝及場地需要，存在很多大跨度空間結構，如鋼桁架。在水泥廠設計中，鋼桁架可分為下沉式鋼桁架（露天棧橋）、上翻式鋼桁架（露天棧橋）、封閉棧橋。本項目桁架形式取自南京西普水泥工程集團有限公司圖集，通過桿件部分調整與修改節(jié)點連接狀態(tài)，結合PKPM二維建模進行數(shù)據(jù)綜合比較。

2 桁架組成

本算例采用帶式封閉式桁架，桁架由上弦、下弦、腹桿組成，通過橫梁將板面載荷傳遞至弦桿節(jié)點。由于桿件本身長細比較大，雖然桿件之間的連接可能出現(xiàn)“固接”，但是實際桿端彎矩一般都很小，因此，設計分析時可簡化為“鉸接”。簡化計算時，桿件都是“二力桿”，承受壓力或者拉力。由于桁架跨度較大，而單品桁架“平面外”的剛度比較弱，因此“平面外”需要設置支撐。而本算例只考慮單品桁架作為計算模型。

3 案例一桁架簡圖與荷載分析

3.1 模型簡圖

算例取24 m上翻式鋼桁架，寬3 m，高2.5 m，鋼材、型鋼、鋼板及普通螺栓采用Q235-B鋼，焊條采用E43，布置詳見圖1。

圖1 桁架立面圖譜

3.2 荷載分析

走道面均布荷載標準值：恒載1.0 kN/m2、活荷載2.5 kN/m2，膠帶機每隔3 m一對支腿，每對支腿恒載5.5 kN。

3.3 結構受力分析

以下簡單對比三個桁架模型，第一個采用底部剛接的短柱，第二個采用兩端鉸接的短柱，第三個采用左側兩端鉸接的短柱、右側一端柱頂鉸接柱底剛接且設置滑動支座的形式。短柱為同樣材料的鋼材，且建模中所有節(jié)點上的附加載荷均一致，對三種狀態(tài)的軸力包絡圖及節(jié)點位移圖進行比較。

桁架支座桿底剛接情況下軸力包括圖與節(jié)點位移圖見圖2、3。

圖2 軸力包絡圖譜（單位：kN）

桁架支座兩端鉸接情況下軸力包括圖與節(jié)點位移圖見圖4、5。

圖4 軸力包絡圖譜（單位：kN）

桁架左側支座桿兩端鉸接的短柱、右側支座桿上端鉸接下端滑動情況下軸力包括圖與節(jié)點位移圖見圖6、7。

圖6 軸力包絡圖譜（單位：kN）

從軸力包絡圖可知，圖4與圖6所產生的桁架跨中內力圖相似，下弦桿達到254 kN。而采用支座桿底剛接時，桁架軸向變形受到約束，軸力也相對較小，跨中只有88 kN，且由于支座的強約束，與支座相連的下弦桿得不到釋放，在靠近支座的下弦桿兩跨中出現(xiàn)了軸壓力。

從節(jié)點位移圖可知，圖3與圖5所產生的節(jié)點位移相似，但位移數(shù)據(jù)顯然圖5較大。而圖3與圖7相比，跨中最大豎向位移均為16.2 mm，但圖7跨中還存在水平位移，使得總位移量圖7大于圖5。且規(guī)范中有明確要求對于露天鋼結構，縱向溫度區(qū)段超過120 m應設伸縮縫。而桁架結構通過下鉸上滑/滾的結構形式來表明伸縮縫的設置。所以按圖7情況設置桁架節(jié)點來保證結構的安全性，同時也更符合結構形式。

圖3 恒載+活載（標準植）節(jié)點位移圖譜（單位：mm）

圖5 恒載+活載（標準值）節(jié)點位移圖譜（單位：mm）

圖7 恒載+活載（標準值）節(jié)點位移圖譜（單位：mm）

4 案例二桁架簡圖與荷載分析

4.1 模型簡圖

算例取24 m封閉式鋼桁架，寬3 m，高2.5 m，鋼材、型鋼、鋼板及普通螺栓采用Q235-B鋼，焊條采用E43，布置詳見圖8。

圖8 桁架立面圖譜

4.2 荷載分析

屋面均布荷載標準值:恒載0.3 kN/m2，活荷載1.0 kN/m2，積灰荷載0.5 kN/m2。

走道面均布荷載標準值：恒載1.0 kN/m2，膠帶機活荷載2.5 kN/m2，每隔3 m一對支腿，每對支腿恒載5.5 kN。

墻面板荷載標準值：恒載0.3 kN/m2。

4.3 結構受力分析

上下弦桿件只在桁架全長兩端做鉸接節(jié)點，中間不斷開不設鉸，立桿柱同樣如此。

當上弦截面剛度較大時，即使節(jié)點產生較小的轉角，也會形成較大的次彎矩。此時如果弦桿端部依然采用鉸接方式，就會丟失桿端的彎矩。由于桁架桿件一般為壓彎桿件，如果丟失彎矩項，就會產生安全隱患。從實際桁架施工圖會發(fā)現(xiàn)，當上下弦桿為H形或箱形等截面時，弦桿需保持剛接連續(xù)，這種設置鉸接點的方式與實際情況更接近。

5 結論

（1）對于短跨桁架，一般可采用立柱底兩端鉸接的形式來保證跨中弦桿產生最大拉力，使模型最接近實際情況。而對于跨度較長的桁架或存在多跨的長輸送，水平推力也隨之增大，對于桁架的支座來說，這是非常危險的。柱底一端鉸接一端滑動的支座形式可以很好的釋放掉水平變形，也能使部分節(jié)點出現(xiàn)最大的位移變形。

（2）在平時的設計中，如果無法確定節(jié)點次彎矩的影響，可按偏安全的剛接來處理。因為如果桿件本身線剛度比較小的話，考慮剛接產生的次彎矩也會小到可以忽略；而對于線剛度較大的構件，只有按剛接考慮時，才能保證構件驗算的正確性。