民用钢桁架设计

一.民用钢桁架的关注点

民用钢桁架也是简支体系，一端铰接一端滑动在两边的塔楼上。故滑动端位移的确定是一个关注点，体现为两塔楼的相对变形，计算塔楼相应楼层的弹塑性层间位移，对于多层均匀框架结构和单层厂房可采用【抗规5.5.4】的弹塑性位移的简化计算方法；对于高层/超高层则需要用pushover、弹塑性时程分析等计算弹塑性层间位移。最不利的情况：左右塔楼振型方向不一样，例如左塔往左100mm，右塔往右100mm，要完全包住这个相对变形，则牛腿一侧需要200mm。

由于民用钢桁架自重比工业钢桁架大的多(采用混凝土重型楼盖)，故其地震力是一个关注点，所有的水平地震力均由铰接一端来承受，设计时有一个误区：仅考虑钢桁架一半的质量计算地震力来设计铰接一端。正确的做法：恒活荷载按一半质量计算，计算地震力时要计入全部的质量，即将另一半质量作为附加质量，这也是符合实际情况的，地震力由铰接一端承受，故计入全部质量，竖向荷载由铰接和滑动支座分别承担。

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二.结构布置

当有不少于1层的钢桁架时，滑动端直接搁牛腿上，只做一个牛腿承担桁架的竖向力，虽然力会比较大，但由于没有水平力，一般来说牛腿还是能算过，并且力作用高度和传递路径也减小了。相对于将每一层桁架的竖向力分别传到每一层的牛腿上(每一层都要设置牛腿)，虽然牛腿受力均摊后会比较小，但在施工按照时会很麻烦，一般连廊都是全部拼装好整体吊装，特别是每一层的桁架都要刚好接触每一层的牛腿，施工精度要求高，搞不好某一层的桁架和牛腿还会悬空。

此例中为2层钢桁架，高度由建筑确定，楼板一般为组合楼板，板厚最小120mm，板跨最大不超过3m，布置次梁(水平桁架竖腹杆)时要注意净空要求。铰接一侧直接与塔楼钢柱相连(铰接)，中部斜腹杆采用斜拉杆(实心的圆钢杆)，截面细小美观。直接用楼层标高、支座处预估高度来计算，后面再调。

对于工业钢桁架，上弦水平桁架的水平力由水平支撑来传递，而民用钢桁架，一般都有楼板，所以可以通过楼板来传递水平力，当然再布置水平支撑会更好。

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三.竖向桁架STS建模计算

1.弦杆荷载计算

桁架层高4m，宽度8.8m。实际上荷载都是通过竖腹杆传至弦杆节点，而不是直接作用为弦杆的线荷载，此处为简便算法。

①楼层恒载=考虑楼板自重+钢桁架自重+面层+吊顶，屋面稍微再增大1~1.5kN/m²。例：25*0.12+1+20*0.05+1=6，中下弦杆线荷载=6*8.8/2=26.4kN/m，上弦杆=7.5*4.4=33kN/m

②外立面恒荷载(以幕墙为例)，上下弦杆为半个楼层，中弦杆为一个楼层。例：幕墙取大一点按2kN/m²，中弦杆线荷载=2*4=8kN/m，上下弦杆=2*2=4kN/m。

总恒荷载：下弦杆线荷载=26.4+4=30kN/m，中弦杆=26.4+8=34kN/m，上弦杆=33+4=37kN/m

③活荷载：楼面3.5kN/m²，3.5*4.4=15.4=16kN/m，屋面不上人0.5kN/m²，0.5*4.4=2.2kN/m

2.构件布置

先按经验选择构件截面，其中钢拉杆钢材至少为Q345并按单拉杆布置，竖腹杆截面尺寸要小于弦杆，否则构造焊接不了。采用H型钢的桁架，压弯构件要满足S2级要求。

钢拉杆有一门规范【GB/T20934-2007钢拉杆】，钢拉杆的强度级别有345/460/550/650，其中只有345满足20%伸长率的要求，一般主体结构用345，不要用高强的，一些附属结构可以用高强的来减小截面尺寸。对于钢拉杆的应力水平有【JGJ257索结构技术规程5.6.1和CECS212预应力钢结构技术规程3.3.1】有关规定，应力水平不要超过0.5，一般设计院做法是不超过0.4，符合高承载力低延性，另外此处为极限抗拉强度(破断力)，因为高强钢材的屈服强度不明显，故用极限强度来衡量。

UU型，就是钢拉杆为U型，节点处焊接的耳板为一块板。OO型，就是钢拉杆为O型，节点处焊接的耳板为2块板，安装时将钢拉杆插入两耳板之间，用销轴连接。总的来说，UU型用的比较多，OO型不好安装。还有其他很多型号。在钢拉杆和耳板之间放置两块钢环板，用于补强和填补孔隙(例如耳板计算只要40mm厚，选择杆径为90mm的UU型钢拉杆，端部U型净距为82mm，净距是厂家决定的，再给施工单位10mm安装孔隙，即72mm-40mm=32mm，故两侧各一个16mm的钢环板)，当销轴连接好之后，将钢环板与耳板贴焊，能焊的地方都焊。

3.约束、支座设置

钢拉杆(销轴连接)两端要点铰接，弦杆不断开，桁架铰接一端的弦杆与塔楼柱点铰接。其余采用H型钢都应设为刚接，按【钢标8.5.2】考虑刚接引起的次弯矩。滑动支座处设置为滑动及铰接，此处“滑动”是只能滑不能转，故再在杆端设置铰接，让支座能“滑”也能“转”。

4.计算长度

桁架计算长度宜按【钢标7.4】设置，对于刚接的竖腹杆和弦杆，STS可能会考虑刚接的作用减小计算长度，主要注意竖腹杆，弦杆上有楼板可以不考虑稳定问题。

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五.其他

1.次梁计算

①初选截面高度为1/15~1/20L，故可取450/500左右，梁宽可取200，翼缘厚度可取10，满足局部稳定的宽厚比要求。

②荷载取值，可按楼面荷载，恒载6，活载3.5，在此例中，为减小板跨度，故多布置一道次梁，故次梁受荷面积为2.2*8.8，其中8.8为次梁跨度。

③STS参数设置：容许挠度按1/250，截面板件宽厚比等级为S3，因为次梁两端属于铰接，是静定结构，就不要再考虑其塑性承载能力了。

2.连接节点

①桁架铰接端：铰接只用螺栓连接腹板，翼缘不连，螺栓按杆件计算确定。

②销轴节点计算：【钢标11.6】

(1)构造【钢标11.6.2】

(2)耳板【钢标11.6.3】

(3)销轴【钢标11.6.4】

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六.3d3s建模计算

端部的刚架/框架虽然是单跨双层结构，但审图有可能会提，说这里是单层结构。故此处需要再做强做保守，添加隅撑等。

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七.midas建模计算

midas的模型能通过3d3s导入，导入后检查截面、荷载等，一般没问题。如图为第一振型，扭转成分比较大，虽然桁架两端的质量分布一样，但约束不同，铰接端约束强，滑动端约束弱，造成了两端刚度不对称，故在平常设计中，1/3跨位置会加一些隅撑等。

规范对桁架结构没有什么变形要求，控制正常使用极限状态就行。