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作者：张三石

最近，吉林省白城市某滑冰馆的钢屋面结构发生了坍塌事故，从现场照片可以知道该屋面采用钢桁架结构，为不对称双坡屋面，屋面桁架两端与钢筋混凝土柱连接（图 1 ）。

从现场照片可以看到，钢桁架两端仅上弦杆与钢筋混凝土柱连接（图 2 ），这一支座连接构造引起了大家的关注，许多专业人士在某知名土木类公众号留言发表了自己的看法。浏览这些留言可以发现，读者的观点两极分化，部分读者认为该支座构造不合理甚至非常荒谬，但是另一部分读者从专业的视角分析，认为这是简支梁常见的连接方式，完全没有问题。笔者将在本文对这种连接节点的合理性进行简单分析，希望给大家提供参考。

作为背景内容，有必要介绍下笔者在“  应充分重视起拱钢屋面梁的支座连接设计   ”中的一个观点： 在这类钢筋混凝土柱上连接起坡屋面钢梁简支梁（桁架）结构中，屋面梁两端可能存在设计时按照水平位移释放计算，但实际节点构造却无法实现水平滑动的情况，导致实际屋面梁对支座存在水平推力的情况。

 

普通桁架梁  

为了直观起见，本文将结合具体算例来进行说明。首先，我们先来看下普通桁架梁（即不起坡），桁架的形式与事故体育馆类似，桁架上弦作用均布线荷载，两端的约束条件根据不同情况变化。需要说明的是，本文算例的参数与实际结构并无关联，大家只需关注不同情况下数值的相对大小。  

释放水平位移  

约束桁架梁的左端竖向（ Z 方向）和水平方向（ X 方向），右端仅约束竖向位移，这是最为典型的简支梁约束条件。从图 4 可见，这种边界条件下，约束上弦杆和约束下弦杆各杆件的轴力非常接近（除支座附近第一节），仅有的差别来自约束不同弦杆带来的跨度变化引起。这说明，在典型简支梁的约束条件下，桁架受弯矩的作用，此时仅约束桁架梁的上弦或下弦对主要计算结果没有影响。  

约束水平位移  

考虑在实际结构中，梁端部的水平位移无法完全释放，此时约束桁架梁的左右两端的竖向（ Z 方向）和水平方向（ X 方向）。

由图 5 可知，这种约束条件下，将支座设置在上弦和下弦桁架梁的轴力具有很大的差异。分析可知，与端部水平位移释放时不同，在这种边界条件下桁架梁的支座处会产生水平反力（图 6 ），并且两种情况下支座反力的方向是相反的，均与弯矩引起的轴力方向相反。

我们通常利用桁架结构的抗弯性能，对于其轴压下的受力关注不多。那么，当轴力作用于单一弦杆时，上下弦之间的内力传递如何呢？图 7 中在桁架的上弦作用一大小为 100kN 的水平压力，可见轴力只在上弦杆传递，并未能通过腹杆的变形协调传递给下弦杆。因此，当桁架梁的水平位移被约束时，被约束的弦杆不仅受到桁架截面弯曲引起的轴力作用，同时还受到支座水平荷载的作用。

以约束上弦杆的桁架梁为例，当支座水平位移被释放时，弯矩作用下跨中截面上弦杆的轴力为 -1017.95kN （图 4a ），当支座水平位移被约束时，上弦杆的水平拉力为 689.81kN （图 6a ），两者之和为 -328.14kN ，这一数值与图 5a 中跨中截面的上弦杆轴力 -330.98kN 非常接近。但是，对于下弦杆和腹杆的轴力图 4a 和图 5a 所示两种情况并无明显差别。分析可知，对于约束下弦杆的情况也存在类似的关系。 

由此可知，当支座的水平位移被约束时，约束桁架梁的上、下弦杆对被约束的弦杆的内力存在很大的影响，轴力大小近似等于支座反力与桁架截面弯曲引起的轴力之和 。

起坡桁架梁    

起坡桁架梁如 8 所示，计算条件与普通桁架梁类似。

分析结果表明，当支座水平变形释放时，约束上弦杆和下弦杆时桁架梁各杆件的轴力类似（图 9 ），仅靠近支座第一节的杆件有所差别，这与普通桁架梁类似。

当支座的水平变形被约束时，桁架的支座将产生较大水平反力（见“应充分重视起拱钢屋面梁的支座连接设计”），且此时水平反力均为弦杆的轴压力（与未起坡的不同）。比较图 10a 和 10b 可以看出，约束上弦杆时桁架梁的上弦杆的轴压力为 -690kN~-1048kN 远大于约束下弦杆时的最大值 -437kN 。这是由于对于起坡桁架梁来说，支座的水平反力均为压力，这一压力和弯矩引起的上弦杆压力是叠加的，与下弦杆压力是抵消的。两种约束条件时，靠近支座的第一根杆的内力均较大，这与水平约束释放的情况具有很大差异。但是，与未起坡桁架不同的是，水平反力也会引起桁架截面的弯矩，内力分析时要略微复杂些。

本文小结  

通过本文的讨论，可以得到下面几点结论：

（ 1 ）当支座的水平位移被释放时，端部支座设置在桁架梁的上弦和下弦对于桁架弦杆的轴力影响不大；

（ 2 ） 当支座的水平位移被约束时，端部支座的设置位置对于桁架弦杆的轴力影响很大，被约束的弦杆内力需在弯矩引起的轴力基础上叠加支座水平反力；

（ 3 ）对于起坡桁架梁来说，当支座的水平位移被约束时，由于支座反力均表现为对弦杆的压力，因此支座设置在上弦时会与弯矩引起的轴力叠加，而支座设置在下弦时对于正弯矩较大截面可以抵消一部分弦杆的轴力。

（ 4 ） 对于支座水平位移被约束的起坡桁架梁来说，支座设置在上弦杆较为不利。

此外，对于吉林白城的事故，笔者认为，在结构层面，除了支座可能存在问题外，桁架的现场对接部位可能存在连接质量问题（见下图），此处截面腹板的连接应该按照轴心受力杆件对待，而非受弯构件。

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