结构设计的分析

对跨度空间钢结构桁架结构设计的分析

摘要:随着经济的发展和科学技术的不断进步，跨度空间钢结构的应越来越广泛，尤其是在机场、车站等公共场所应用比较频繁，本文主要就跨度空间钢结构桁架结构的概述、设计进行了分析研究。

关键词：跨度空间钢结构；桁架结构；设计

目前许多大型的建筑均采用钢结构进行构造的，而且伴随着建筑业的不断深化与发展，建筑理念也发生了翻天覆地的变化与创新，在钢结构的应用和实践上，出现了许多类似跨度大、空间形状相对复杂多变的钢结构的建筑。这些新型钢结构建筑的设计，同时也对钢构件的优化与创新提供了基础。近些年我国出现的，比较著名的类似于水立方、国家大剧院以及中央电视台新办公楼等等大型的体育场馆、文化场馆、展览馆等无一例的使用了大跨度、复杂空间钢结构，来充当建筑自身的屋盖结构体系。我国的建筑业从未停止过对于大跨度空间结构研究方面的脚步，相应的施工技术也有了质的飞跃。大跨度空间管桁架在国家重要的场馆建设时，发挥了不可替代的作用。

一、桁架结构的内力特征分析

受力特点是结构内力只有轴力，而没有弯矩和剪力。这一受力特性反映了实际结构的主要因素，轴力称桁架的主内力。实际结构（如钢筋混凝土屋架，铆（栓）接或焊接的钢桁架桥）中由于结点的非理想铰结等原因，还同时存在微小的弯矩和剪力（理想铰接没有），对轴力也有很小的影响（因结点刚性和桁架杆横截面积与惯性矩比值的大小而异，一般减小5%～0.1%），称为次内力。有选择地截断杆件（一般不超过三杆）以桁架的局部为平衡对象，考虑其中任一部分平衡，由平衡方程即可求得所需杆件轴力。对于某些桁架（如K式桁架），联合应用结点法和截面法更有效。对于杆件很多的复杂桁架或空间桁架，最好的选择应是计算机方法。

二、桁架结构计算设计

房屋建筑用的桁架，一般仅进行静力计算；对于风力、地震力、运行的车辆和运转的机械等动荷载，则化为乘以动力系数的等效静荷载进行计算；特殊重大的承受动荷载的桁架，如大跨度桥梁和飞机机翼等，则需按动荷载进行动力分析。平面桁架一般按理想的铰接桁架进行计算，即假设荷载施加在桁架节点上（如果荷载施加在节间时，可按简支梁换算为节点荷载），并和桁架的全部杆件均在同一平面内，杆件的重心轴在一直线上，节点为可自由转动的铰接点。理想状态下的静定桁架，可以将杆件轴力作为未知量，按静力学的数解法或图解法求出已知荷载下杆件的轴向拉力或压力（见杆系结构的静力分析）。工程用的桁架节点，一般是具有一定刚性的节点而不是理想的铰接节点，由于节点刚性的影响而出现的杆件弯曲应力和轴向应力称为次应力。计算次应力需考虑杆件轴向变形，可用超静定结构的方法或有限元法求解。

三、跨度空间钢结构桁架结构的具体设计

1、相贯口的补块设计。如果桁架同主弦管相贯口间隙长度大于8mm，那么解决方法之一就是彻底替换相贯口，方法之二就是对相贯口周围部分结构进行切割，切割的要求是长椭圆形，长度要大于或者是等于500mm，针对切割的部分进行替换，在替换中应该打坡口焊接。支管相贯口间隙过大，要对支管相贯口的局部构件补块，补块要求是长椭圆形，长度要大于或者是等于300mm，对于焊接的要求同样是坡口焊接。

2、K型搭接节点焊接设计方法。搭接节点在节点构造上一共可分为间隙、部分搭接以及完全搭接，这些不同结构的节点在设计与施工的过程中，如何搭接就成了最为关键的问题，也会增加内隐藏焊缝的几率。通常情况下，主管与腹杆的直径比要控制在大于等于0．2、小于等于1的范围内，腹杆之间的搭接量要控制在大于等于25％的范围内。在节点的选择上，要多选择间隙节点替代部分搭接节点。因为间隙节点比部分搭接节点更容易被组装。对于部分搭接节点的隐藏部分一般是不焊接的，只有出现腹杆与主管之间的不平衡系数大于1．5的情况，那么部分搭接节点就必须要进行焊接。搭接节点的选择，要注意搭接管与被搭接管至少要将25％的宽度叠合在一起，最佳的选择是有一般的宽度叠合。综上所述，空间管桁架设计时，不只需要考虑杆件以及杆件节点承受力，节点的构造也是很重要的环节，节点的结构设计可以有效地将各个构件联系起来，对于整个建筑设计起到承上启下的关键作用【3】。

3、主管不等壁厚对接设计办法。大跨度变截面的主管对接口处，是不等壁厚对接问题主常出现的位置。设计单位往往要求所有的主管对接口，在工厂内实行打内坡口并且要求加折板已充当衬垫。但是，大量的内坡口构件应用到施工中会导致工期的延长、难度的增大。而且，由于国内的无缝管制造技术还与国外有一定的差距，必须要采用卷管制作的方法，这就造成了直缝钢管的圆度差异问题。按照相关的规定，直缝钢管的外径偏差率不能大于或小于0．75％，弯曲度偏差不能大于3．0mm／m。焊接两个构件时，焊件的宽度与厚度不等同，其中，如果焊件的厚度在一侧上存在着4mm以上的差距，那么就要分别在宽度、厚度方向，沿着一侧或者两侧做成斜角，这个斜角的坡度应该控制在小于或等于1：2．5的范围内。此外，可以通过沿着焊件焊接的缝隙的垂直方向添加插筋板，还可以在焊缝位置加上箍圈对焊接构件进行固定。

三、跨度空间钢结构桁架结构设计中需要注意的几个问题

1、合理设计桁架杆件截面。宜优先选用肢宽壁薄的截面，使杆件在相同用钢量的情况下截面具有较大的回转半径和惯性矩。需用C级螺栓与支撑杆件相连接的桁架杆件角钢的边

长，应注意其所能采用的螺栓最大直径。为减少拼接的设置，桁架弦杆的截面宜根据弦杆的最大内力来选择，对于跨度不大的桁架宜采用等截面弦杆。对于桁架的杆件，应根据杆件在桁架平面内、外的计算长度不同，选择不同形式的双角钢组合截面，尽量做到λx≈λy。当桁架竖杆的外伸边需与垂直支撑相连时，则该竖杆宜采用由双角钢组成的十字形截面，以使垂直支撑对该竖杆的连接偏心为最小。

2、注意节点设计的合理性。按正确角度画出交汇于该节点的各杆轴线（轴线至角钢肢背的距离取5mm的整数倍）；比例画出与各杆件轴线相应的角钢轮廓线，并依据杆件边缘的间隙要求c，确定各杆端位置。；据各杆件内力N，计算各杆件端部与节点板的连接角焊缝尺寸lw，布置焊缝，并按比例绘于节点图上；确定节点板的合理形状（凸多边形）和尺寸，要求节点板能框进所有焊缝，并注意沿焊缝长度方向多留约2hf的长度以考虑施焊时的焊口影响，垂直于焊缝长度方向应留出10-15mm的焊缝位置。

四、结语

总的来说，跨度空间钢结构桁架结构设计对于桁架结构的质量与安全有着重要影响，在具体的设计工作中，要不断加强跨度空间钢结构的设计和应用，注重桁架结构的设计要点，从而切实保证跨度空间钢结构横街结构的设计质量与安全，促进建筑业的发展和进步。