屋架桁架结构体系简介与设计要点

发布于：2024-03-18 23:42:18 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

1.屋架桁架结构体系简介

立体桁架(拱架)是由上弦、腹杆与下弦杆构成的横截面为三角形或四边形的格构式桁架，也称空间管桁架结构。张弦立体拱架则是由立体拱架与拉索组合而成的结构。空间管桁架结构杆件一般为圆钢管，一些大型、重型管桁架可采用方钢管截面，结构截面通常为三角形断面，与平面管桁架结构相比，它具有较大的跨度，且三角形桁架稳定性好，抗扭转刚度大且外表美观。在不布置或不能布置面外支撑的场合，三角形桁架可提供较大的跨度空间。一组三角形桁架类似于一榀空间刚架结构，且更为经济。可以减少侧向支撑构件，提高了侧向稳定性和扭转刚度。对于小跨度结构，可以不布置侧向支撑。与网架结构采用螺栓球或焊接空心球节点、屋架经常采用板型节点不同的是，管桁架结构在节点处采用与杆件直接焊接的相贯节点(或称管节点)。在相贯节点处，只有在同一轴线上的两个主管贯通，其余杆件(即支管)通过端部相贯线加工后，直接焊接在贯通杆件(即主管)的外表面上，非贯通杆件在节点部位可能有一定间隙(间隙型节点)，也可能部分重叠(搭接型节点)。相贯线切割曾被视为是难度较高的制造工艺，因为交汇钢管的数量、角度、尺寸的不同使得相贯线形态各异，而且坡口处理困难。但随着多维数控切割技术的发展，这些难点已被克服。目前国内一些企业装备了这一技术设备，相贯节点管桁结构在大跨度建筑中得到了前所未有的应用。典型的管桁架模型及节点图如下图所示。

桁架屋架模块适用于任何形式的平面和空间桁架结构：例如钢柱+桁架、框架+桁架、张拉弦+桁架、网架+桁架等。圆管相贯节点设计，矩型管节点设计，圆管与矩型管混合连接节点设计，等截面、变截面管拼接节点设计，焊接球拼接节点设计，多管相交相贯节点设计，管桁架板支座、焊接球支座设计、套箍支座、半球支座设计等等；能输出相贯线数控切割数据；角钢屋架方面可进行板节点设计。

2 桁架结构设计要点

2.1 选型原则

立体桁架的高度可取跨度的 1/12~1/16；立体拱架的拱架厚度可取跨度的 1/20~1/30，矢高可取跨度的1/3~1/6。张弦立体拱架厚度可取跨度的 1/30~1/50，结构矢高可取跨度的 1/7~1/10，其中拱架矢高可取跨度的 1/14~/18，张弦的垂度可取跨度的 1/12~1/30。管桁架的弦杆(主管)与腹杆(支管)及两腹杆(支管)之间的夹角不宜小于 30°。

2.2 桁架支座及支撑的设置

当按立体拱架计算时，两端下部结构除了可靠传递竖向反力外还应保证抵抗水平位移的约束条件。当立体拱架跨度较大时，应进行立体拱架平面内的整体稳定性验算。立体桁架支承于下弦节点时桁架整体应有可靠的防侧倾体系，防侧倾体系可以是边桁架或上弦纵向水平支撑。曲线形的立体桁架在竖向荷载作用下其支座水平位移较大，下部结构设计时要考虑这一影响。曲线形的立体桁架应考虑支座水平位移对下部结构的影响。对立体桁架、立体拱架和张弦立体拱架应设置平面外的稳定支撑体系。应在上弦设置水平支撑体系(结合檩条)以保证立体桁架(拱架)平面外的稳定性。

2.3 起拱和挠度允许值

当立体桁架跨度较大(一般认为不小于 30m 钢结构)时，可考虑起拱，起拱值可取不大于立体桁架跨度的 1/300(一般取 1/500) 。此时杆件内力变化“较小”，设计时可按不起拱计算。管桁架结构在恒荷载与活荷载标准值作用下的最大挠度值不宜超过短向跨度的 1/250 ，悬挑不宜超过跨度的 1/125 。对于设有悬挂起重设备的屋盖结构最大挠度值不宜大于结构跨度的 1/400。当仅为改善外观要求时，最大挠度可取恒荷载与活荷载标准值作用下挠度减去起拱值。一般情况下，按强度控制而选用的杆件不会因为这样的刚度要求而加大截面。

2.4 计算原则

1.管桁架结构应进行重力荷载及风荷载作用下的位移、内力计算，并应根据具体情况，对地震、温度变化、支座沉降及施工安装荷载等作用下的位移、内力进行计算。空间网格结构的内力和位移可按弹性计算。

2.对非抗震设计，作用及作用组合的效应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009 进行计算，在杆件截面及节点设计中，应按作用基本组合的效应确定内力设计值;对抗震设计，地震组合的效应应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011 计算。在位移验算中，应按作用标准组合(不乘荷载分项系数)的效应确定其挠度。

3.对于各种复杂形体的空间网格结构，当跨度较大时，应通过风洞试验或专门研究确定风载体形系数。对于基本自振周期大于 0.25s 的空间网格结构，宜进行风振计算。

4.分析立体管桁架时，当杆件的节间长度与截面高度(或直径)之比不小于 12(主管)和 24 (支管)时，也可假定节点为铰接；分析单层网壳时，应假定节点为刚接，杆件除承受轴向力外，还承受弯矩、扭矩、剪力等。