一.基本介绍

1.常用的规范有：【钢标】、【冷钢规】、【抗规】、【空间网格结构技术规程JGJ7-2010】

2.钢管结构

直接将钢管作为独立的实腹构件。如：方管檩条、单根的钢管柱子、烟囱、圆管通廊和工业管道。将钢管作为杆件，组成格构式结构或构件。如：管桁架、格构式柱子或支架，以及网架和塔架等。

圆管适用于轴心受力和受扭构件，轴心受压时稳定性最好。矩形管适用于轴心受力、受弯、偏心受力和受扭构件，轴心受拉时强度最高。管桁架截面一般为圆管。

3.管桁架结构常应用于单跨的大型场馆，一般用于大跨度结构，刚度最薄弱的是竖向，因此往往由竖向荷载控制，因此对于地震作用，反而是竖向地震作用更值得计算。

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二.管桁架设计

1.结构形式

荷载传递：屋面荷载→檩条→主管桁架→竖向构件，管桁架荷载为单向传导，一个板跨的荷载传至两榀主桁架，次桁架不承受荷载，不参与竖向荷载传力。柱距(管桁架间距，管桁架受荷面积)可取管桁架跨度的1/3.5~1/5，最小为6m。

主桁架在计算模型上两侧支座为铰支座，相当于单跨简支梁，为了满足端部简支达到理想铰接，保证管桁架平面外稳定及支座不发生侧移，需要布置封边桁架/次桁架来限制主桁架的扭转【空网规3.4.5，次桁架就是平面外稳定支撑体系】。并且在中部设置一些次桁架提高稳定性，主桁架跨度超过20m宜布置。

2.杆件长度及截面尺寸

以下为主桁架设计，次桁架杆件长度及截面尺寸基本都按长细比构造选用。主管和支管是一个相对关系，支管是主管的分支，由于弦杆截面较大，腹杆截面较小，以及位置关系，腹杆是弦杆的分支，故就弦杆和腹杆来说，腹杆称为支管，弦杆称为主管；对于再分式腹杆，则主腹杆是主管，分支腹杆是支管。

①弦杆

立体桁架可选用三角形截面(正放正三角和倒放倒三角)、四边形截面和梯形截面等。在屋盖结构里，常用的是倒三角管桁架，上弦2根管，下弦1根管，单管的截面会大一些。因为上弦一般都是受压，受压的承载力较低，故宜2根管放上面。

管桁架高度(上下弦杆中心距)可取跨度的1/12~1/16【空网规3.4.1】，上弦杆中心距与管桁架高度，简称宽高比，宽高比可取为1/2~1，不小于1/2，取1是最好，相当于截面大了抗扭能力强。对于跨度较大时(≥50m左右)，如果还按1取值(例跨度50m，高度4m，宽度4m)，则宽度会较大，上弦平面内的腹杆一般都是构造，长细比起控制作用，腹杆长度大了则需要增大腹杆截面，抗扭能力及稳定足够了，就没必要将管桁架宽度做大，可取1/2~2/3。

弦杆截面高度可先按照1/(15~20)L₀初选，L₀为节间长度，弦杆直径一般不小于100mm，并且满足【钢标5.1.5-3】。【空网规5.1.4】规定了杆件截面的最小尺寸，大中跨度的分界尺寸是60m和30m，即＜30m为小跨度，30~60为中跨度，＞60m为大跨度。

②腹杆

腹杆1和腹杆5的V形排布用的最多，对于简支下部受拉的常用腹杆1，对于悬挑上部受拉的常用腹杆5。竖腹杆直径可取(1/30~1/50)L₀左右，L₀为节间长度，水平腹杆仅按照长细比构造初选。竖腹杆主要用于抗剪，端部剪力最大，故竖腹杆的规格可以分段选取。

③支座

#1按固定铰支座

在计算建模时，当按固定铰支座进行支座布置时，支座水平及竖向刚度为无穷大，即支座不会发生变形，并且支座反力也较大，这会导致端部杆件变成受压构件(尤其是下弦杆)，设计不经济。形象的说就是两端变形被约束，导致内力反向，并且支座反力大，支座也很难设计，而竖向挠度也会偏小。

当桁架周边是框架梁柱及楼板等，水平刚度很大，且规模及跨度小，也可以按固定铰支座进行设计，支座要能抵抗水平剪力，支座处设置抗剪连接件等。

当桁架底部有独立柱的小跨度小型空间结构(独立柱就是悬挑柱，柱子就为了支撑管桁架)，可采用钢板支座(平板支座，接近于固定铰支座)，把柱子建模整体计算，柱子也有柔度，因此柱子也算是弹性支座了。

#2按弹性支座

支座布置宜按弹性支座输入，即考虑支座刚度，即支座能发生变形，可以选择成品支座。橡胶支座的作用就是可以变形，来释放温度应力。橡胶支座弹性刚度可按计算【空网规附录K.0.4】，橡胶支座的计及构造要求见【空网规附录K.0.2】。对于小跨度管桁架，水平刚度一般为3KN/mm，对于一些大跨结构一般都是6KN/mm或9KN/mm

另外支座锚栓孔要开大孔，孔径要满足温度应力下的自由伸缩的变形，防止锚栓和橡胶垫相碰。螺栓孔应比螺栓直径大10~20mm【空网规附录K.0.3-3】

3.檩条布置

正三角管桁架上弦1根管对于檩条布置比较方便，左右檩条直接放置在弦杆两侧；倒三角管桁架上弦2根管之间距离比较小，做一个小檩条，下图为弦杆上做檩托。

另外倒三角管桁架常做主次檩体系，在弦杆长度方向布置主檩条，在弦杆节点处起支点支撑主檩条，主檩条每一跨的跨度就是弦杆节间。次檩条则按等间距1.5m来布置。通过主檩条，把屋面荷载通过集中力的方式传递到管桁架上。当不采用主次檩体系，檩条(间距小于弦杆节间)直接放置在弦杆，会使得弦杆成为压弯构件，不如轴力构件，或者将弦杆节间数量增加，使得檩条间距和桁架节间相同，使檩条布置在节点上。

4.管桁架形式

可以通过3d3s建模，可以做曲线管桁架，变高度(起坡)，变节间等一系列造型。

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三.管桁架设计注意点

1.约束信息

采用3d3s建模时，弦杆可不断开，当一个节间内的弦杆满足【钢标5.1.5-3】时，则可设置为铰接，尽量满足主管节间长度与截面高度或直径之比不小于12。腹杆都设置铰接。

2.计算长度及长细比

【空网规5.1.2、5.1.3、】，管桁架节点形式一般此案有相贯节点，表中腹杆可取0.9L，但一般也按1.0L。

【抗规10.2.13小注、10.2.14】，管桁架属于单向传力体系，关键杆件为支座相邻的第一个节间(管桁架跨度方向，不含次桁架)

综上，管桁架杆件长细比可按【抗规10.2.14】控制，即一般杆件受拉250，受压180；关键杆件受拉200，受压150(120)

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3.容许挠度值【空网规3.5.1】

4.温度应力

由于钢材热胀冷缩，会引起温度应力，故宜考虑极端气温影响【荷规9.2.2】。也会产生变形，但对管桁架来说，竖向荷载对变形起控制作用。

【荷规附录E.5】规定了大部分城市的最高和最低基本气温，根据项目竣工季节计算合拢温度(【荷规9.3.3】的最高/最低初始平均温度，就是竣工时温度的范围值)，再与最高和最低基本气温做差值，计算出温差。

例如上海最高和最低基本气温分别为-4°和36°，预计在3-5月份竣工，3~5月份的合拢温度为20~30°，故30+4=34°(最大降温)，36-20=16°(最大升温)

5.阻尼比【空网规4.4.10】，一般可取0.02

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四.管桁架节点设计

1.破坏模式

基于节点破坏模式，进行节点设计。主管和支管的位置关系及刚度关系，例如弦杆与腹杆一般就是垂直接或者斜接，由于支管的轴向刚度较大，而主管的横向刚度却相对较小，在支管拉力或压力作用下，对于不同的节点形式、几何尺寸和受力状态，在保证支管轴向强度(不被拉断)、支管整体稳定、支管与主管间连接焊缝强度、主管局部稳定、主管壁不发生层状撕裂的前提下，节点的主要破坏形式有下列几种：

①主管壁因受压局部压溃或因受拉主管壁被拉断；

②主管壁因冲切或剪切出现裂缝导致冲剪破坏；

③有间隙的K、N形节点中，主管在间隙处被剪切破坏(两个腹杆，一个受拉，一个受压)；

④受压支管管壁在节点处的局部屈曲；

⑤矩形管结构支管与主管不等宽时，与支管相连的主管壁因形成塑性铰线而失效

对于层状撕裂，【钢标4.3.7】规定了管厚25mm应注意。

2.破坏准则

管节点的破坏过程为：在焊缝附近往往某局部区域有很大的应力集中，受力时该区域首先屈服，支管内力增加，塑性区逐渐扩展并使应力重分布，直到节点出现显著的塑性变形或出现初裂缝以后，才会达到最后破坏，国内外学者及国家规范建议使用极限变形准则，即变形过大作为破坏准则。

主管表面的局部凹(凸)变形达主管宽度b(或直径d)的3%时的支管内力为节点的极限承载力(承载力极限状态)；取局部变形为0.01b(或0.01d)的支管内力为节点正常使用极限状态的控制力。

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3.规范规定【钢标第13章】

①基本构造

规定了适用范围，一些钢管直径及壁厚，连接角度，连接焊缝等构造要求，以及各类节点的计算方法。

一般相贯节点采用角焊缝，焊脚尺寸不宜大于支管壁厚的2倍，在软件计算时可先采用1倍焊脚尺寸，当出现很多焊缝连接不足时，再增大到1.2倍，1.5倍。

②计算公式

由【钢标13.3.2】的计算公式可得，节点承载力与主管材料强度，主管壁厚，支管直径，夹角相关，其中材料强度(正相关)，主管壁厚(不明确，一般正相关)，支管直径(正相关，但不得大于主管)，夹角(负相关，夹角越小，承载力越大，不得＜30°)

对于空间相贯节点承载力，可以在平面节点承载力基础上乘0.9的空间调整系数【钢标13.3.3】

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