钢桁架案例：工业车间运输连廊（一）

一.连廊结构构成

2榀竖向桁架，承受竖向荷载；2榀水平桁架，承受水平风荷载，水平桁架的设计往往会被忽略，4榀桁架相当于一个“笼子”，类比为两端支撑的简支梁。现在设计都采用三维有限元计算，分来算只为了建立力的传递概念。

从竖向桁架平面上看，竖向桁架是支撑在两端的支撑结构上，相当于简支梁，两边一个是铰支座一个是滑动支座，当桁架有角度时，铰支座往往在较低的一侧，地震作用下连廊传给支撑结构的水平力引起的弯矩效应才会小，因为滑动支座是不能传递水平力的。走廊内有设备行走、人行通道，故走廊底有支撑梁，支撑梁两端挂在竖向桁架的节点上，用螺栓连接于下弦杆，连接方式参照悬挂吊车轨道梁，上部也要做屋面围护。

水平桁架承受风荷载，将荷载传递到两端，故走廊两端要设置刚架，抵抗水平力，刚架也要承担一部分竖向荷载，当端部腹杆也使用上升式时则会增大刚架的竖向荷载，一般来说刚架主要是刚度的贡献，刚架的应力水平不要大于0.5，期望其达到加强刚度的作用。

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二.构件布置

1.空间尺寸的确定

从结构角度，桁架高度一般荷载情况下取跨度的1/10~1/14。

根据甲方要求，对尺寸的净空要求等，例如净高空要求2.8m，竖向桁架弦杆双角钢重心线之间取2.8m一般能满足，端部刚架使用H型钢就有可能挡住净高，需要将尺寸放大，例如净高按2.9或3m来设计，中部的桁架也一起放大。同样道理对于净宽也是，另外对于桁架两端要预留抗震缝，防止与结构构件或围护相碰。

2.桁架杆件排布

①确定节间个数，一般取偶数个，通过总跨度、腹杆夹角以及设备的集中力来确定，设备集中力宜作用在节点处。

②腹杆排布，斜腹杆35~55°，斜腹杆受拉，竖腹杆受压，端部斜腹杆受压直接传力给支座。

3.截面选择

(1)弦杆：一般不断开通长取截面

①构造：长细比限值控制【钢标表7.4.6、抗规10.2.14】。

②经验取值：例如型钢桁架的弦杆，截面高度一般取节间宽度(杆件长度)的1/20~1/30，荷载较小时，截面高度可以取小一点。

从受力角度，上弦和下弦杆件的力形成力偶平衡弯矩，所以上下弦的力绝对值差不多，只不过一个受拉一个受压，受拉弦杆为强度问题，而受压弦杆为稳定控制，在受力相同下，受压弦杆的截面肯定会更大一些，会比受拉弦杆高1~2级，或者肢厚会厚一些。强度问题在新钢标中为毛截面屈服和净截面断裂，主要是高强度钢材的推广，高强度钢材的抗拉强度与屈服强度的比值不大，而低强度比值则比较大，故老规范只有净截面断裂的问题。

(2)腹杆：分段取，中部剪力较小，两端剪力较大，可以分级布置。

①先结合钢标和抗规的长细比控制，不够再加

②双角钢一般不小于2L63x6

【十字型双角钢】由于已经有单角钢了，故【钢结构连接节点设计手册第四版】及其他手册没有给出十字型双角钢的截面参数。

T型双肢角钢组合截面，x-x是弱轴，而由于对称关系，十字型的x-x和y-y轴回转半径与T型截面的y轴一样。

十字型的u-u轴的回转半径与单角钢一样，单角钢的u-u轴是最强轴，通过极惯性矩定理l_x+l_y=l_p，可以知道i_x²+i_y²=i_u²+i_v²=定值。故能求出双角钢的u-u轴和v-v轴的回转半径，从结果来看十字型的u-u轴回转半径最小，最弱轴，因此在选择十字型截面时，只关注u-u轴，即关注单角钢的u-u轴是否满足要求。

例如50x6角钢：2L50x6填板厚6mm, i_x=1.53cm，i_y=2.32cm，十字型i_x=i_y=2.32cm，单角钢i_u=1.91，故十字型i_u=1.91cm，i_v=2.67cm。十字型最弱轴u-u轴回转半径1.91cm＞1.53 cm (T型最弱轴)

十字型的最弱轴u-u轴回转半径也比T型要大，所以十字型截面更有利，更经济。

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三.荷载计算

对于桁架来说，要把荷载均折算成集中力作用在节点上。

1.上弦荷载计算：

①屋盖、檩条、上弦支撑自重：一侧节点的集中力=上弦平面投影宽度*节间宽度*面荷载/2

上弦平面投影宽度肯定是大于设计宽度，还包括额外的墙面板厚度、屋面板挑出长度。例如两竖向桁架中心距4.3m，考虑后按4.9m来算荷载。屋面和檩条自重一般可取0.2 kN/m²，上弦支撑自重可取0.1kN/m²，合计0.3 kN/m²。

②屋面活载：按照不上人屋面取为0.5KN/m²，还有积灰荷载/雪荷载。一侧节点的集中力=上弦平面投影宽度*节间宽度*面荷载/2

③墙面围护系统自重：一半往上节点，一半往下节点。单侧一个节点=墙面高度*节间宽度*面荷载/2

墙面高度，肯定是大于中心距，包括屋面挑出，下挂的支撑走道梁。例如中心距2.9m，算下来3.2m、3.3m左右，走道梁可以先提前算出截面高度。墙面板和墙梁(檩条)自重取0.2 kN/m²

④桁架本身自重：一般例如STS会自动计算。

2.下弦荷载计算

①下弦走道板、走道梁及面层自重、下弦水平支撑：=下弦一侧节点的集中力=下弦平面投影宽度*节间宽度*面荷载/2

板一般为预制板，重度可以取25.5kN/m³，板重=25.5*板厚，面层可按水泥砂浆考虑20kN/m³。下弦水平支撑可取0.1 kN/m²

②墙面围护系统自重：一半往上节点，一半往下节点。单侧一个节点=墙面高度*节间宽度*面荷载/2，与上弦一样。

③设备的恒载和活载，一侧桁架下弦的一个节点=设备荷载(一般是线荷载)*节间宽度/2。任务书的荷载是否已考虑动力系数，需要与甲方确认，动力系数可取1.3，可按【荷规5.6】。

④走廊内活载，一侧桁架下弦的一个节点=走道活荷载*走道净宽*节间宽度，走道净宽为单侧的宽度。走道活荷载根据任务书或者荷载规范。

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3.额外荷载：一些由于生产工艺设备等。

例如在工业运输连廊中，端部有重锤设备，阅读相应的工艺图纸和任务书，确定设备的位置，在分割桁架节间以及确定节点位置时，首选的当然是将节点设置在设备之下，使设备的荷载直接传至节点，方便传力。当然也有情况下不能直接传至节点，通过设置主次梁的方式将设备荷载传至桁架节点，总的来说，尽量使得桁架不要成为拉弯/压弯构件。

例：在最右的节间上，有如图4个支座(重叠)，按之前节间的布置，已经将一个支座的力的力可以直接通过支撑梁传给两侧节点，另外两个支座则需要布置次梁。

如图结构布置图，在另外两个支座上布置次梁，使荷载通过次梁传递给支撑梁(走道梁)和刚架梁，再传给桁架节点。假设4个支座平摊荷载F，每个支座荷载为0.25F，那么①和③支座为0.25F+Fb/l，②和④为Fa/l(根据力距分配)，再通过梁传递给桁架。

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四.PKPM中STS参数设置及计算结果(以钢结构桁架连廊为例)

1.结构类型参数

①结构类型：此设置主要是会自动选取系统默认的阻尼比，问题不大，阻尼比也可以自己选。

②设计控制参数，自动确定容许长细比(系统自动结合钢标和抗规)、挠度只控制跨中，查【钢标附录B】

2.总信息参数

①截面板件宽厚比等级：按设计选取，桁架默认选S3。

②净截面和毛截面比值：是为了考虑截面削弱的影响，焊接可以取0.95/0.9、螺栓可以取0.85。

③自重计算放大系数FA：考虑节点板用钢重量的放大，一般统计扩大为5%~10%，取1.1即可。

④钢柱计算长度系数确定方法：有侧移和无侧移是针对框架柱来说的，桁架选择无侧移。

⑤总体参数：如图即可

3.地震计算系数

①抗震等级：对于静定简支桁架选择不抗震，抗震等级也是对于框架来说的，用于体系框架延性。

②计算振型个数：听说STS计算不准确，默认3

③周期折减系数：轻型桁架没有填充墙，不能折减，取1

④阻尼比：【抗规10.2.8】

4.约束及支座设置

采用非H型钢截面，例如双角钢组合截面，在节点处，所有杆件都设置为铰接，形成二力杆。而实际中H型钢截面节点为焊接，接近于刚接，会引起次弯矩，故不能单纯的设置为二力杆。

5.结果调整与查看

(1)查看

对于拉杆看强度计算，稳定的结果全为0；对于压杆看稳定结果，因为压杆基本由稳定控制，在应力比上，稳定的结果一般都比强度的大。

①强度计算应力比，0.14表示效应与抗力的应力比为0.14

②平面内稳定应力比(对应长细比)，0.33(119)；

③平面外稳定应力比(对应长细比)，0.29(110)。

(2)调整

①无论是对于拉杆(看强度应力比)或压杆(看稳定应力比)，一般计算后数值≤0.85(具体数值看设计院做法)，一般考虑风荷载作用，可能有0.05的波动；不满足时增大杆件截面，增大截面优先增大肢长(省钢材)，例如原本L125x10，选L140x10比好L125x12，但钢筋肢长尽量＜160，比较难采购。

②初步建模长度系数默认取1.0，现在仍可以进一步深化按规范取值，内腹杆平面内可取0.8。

③对于压杆应力比小于0.5，压杆长细比限值可放宽至200，还不满足则增大截面。

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