摘要：屋架是房屋组成的构件之一，利用钢材制成的屋架使得建筑功能对大跨度、大空间的要求得以实现。空间钢屋架屋盖结构具有几何稳定性强，更好的空间整体性，而且抗震能力较强，从而在有大跨度、大空间要求的建筑中得到广泛应用。从当前我国的空间钢屋架设计技术来看，支座节点的设计是非常关键的环节之一，因为支座节点的受力较为复杂。所以本文以某钢屋架工程为例，对空间钢屋架支座在设计荷载作用下的强度、刚度以及稳定性等方面进行数值分析，并提出一些优化设计建议，希望能够在空间钢屋架支座节点设计当中为从业人员提供一些方法。
关键词：钢屋架；支座节点；空间结构；合理优化；研究
钢屋架支座节点将屋架结构与下部支承结构精密相连，对支座节点进行优化，实际能够有效提高钢屋架的受力情况，提升钢屋架的抗震能力、变形能力，从而保障空间结构的安全。建筑空间结构跨度大且体型复杂对屋架支座节点的承载能力提出了更高的要求，为了保障支座节点的安全性，我们要对空间钢屋架的支座节点进行优化设计，对支座节点的设计和计算结果可以为其他类似情况提供参考。
1.对钢屋架支座节点的介绍
随着钢结构的迅速发展，节点的形式与复杂性也大大增加，根据中华人民共和国国家标准《钢结构设计标准》（GB50017-2017）的规定，钢结构节点的设计原则与设计方法：要充分考虑到支座节点构件的变形、支承结构的位移、边界的约束条件以及温度变化等影响因素，因为这会对大跨度的屋盖结构产生内力，从工程结构的实际情况出发，通过能适应变动的支架来释放附加压力，支座节点最可靠的功能就是集中传递内力，由上部结构引起的压力或者拉力等等，为了缓解下部结构出现的复杂应力状态，支座节点还能够释放一些由温度应力、不利弯矩表现的内力，设计人员在设计制作节点的时候应该明确节点的受力、传力。柔性支座常用的表现形式为平板、弧形、球形、板式橡胶等[4]。平板支座适用的空间架构跨度小且受内力影响较小的轻型钢屋架结构当中，所以它的应用范围小，但是对造价的要求较低。另外三种支座节点能够释放一些由温度应力、不利弯矩表现的内力，所以它们的应用范围广，但是对制作安装以及经济条件方面的要求较高。所以设计人员要根据建筑空间的具体情况合理选择。
从工程结构的实际情况出发，支座节点最基本的功能就是有效传递屋盖结构产生的作用力，并与下部支承结构组成有效的整体结构体。在钢结构节点的设计过程中，我们要考虑到结构的重要性、受力特点、荷载情况以及工作环境等因素来选用合理的节点形式、材料与加工工艺。
在我们实际使用的支座当中，以平板、弧形、辊轴、铰轴、球形支座较为常见[3]。平板支座适用的空间架构跨度小且受内力影响较小的轻型钢屋架结构当中，所以它的应用范围小，但是对造价的要求较低。另外五种支座节点能够较有效地释放由温度应力、不利弯矩引起的内力，所以它们的应用范围广，但是对制作安装以及经济条件方面的要求较高。所以设计人员要根据建筑空间的具体情况合理选择。
2.工程模型的分析
2.1工程模型的概况分析
在某建筑物的顶部屋盖空间钢结构设计当中，整体的空间结构为对角线交叉梁系结构，跨度为24.4米，屋面坡度系数为1：6。屋面两对角线方向2.7米宽作为双层中空的钢化采光玻璃屋顶，其他的部分铺设夹芯的保温板，为了让建筑物的立面效果更加突出并有效改善室内的通风问题，在屋盖顶部设置一个3m×3m的四坡阁楼[2]，四坡屋顶的平面图见图1.
图1 四坡屋顶平面图
2.2工程结构的计算分析
针对本次建筑工程，我们设计了两种方案，并对这两种方案的数据进行比对。方案一采用4根对角线交叉大梁进行屋面设置，使用箱形截面为800×300×25×25设计结构大梁；方案二与方案一不同的是，我们在对角线的交叉大梁的中部加入了刚性檩条来增强整个空间架构的受力，这样上部结构与混凝土柱、圈梁的连接使用平板支座的柔性连接，采用的刚性檩条为350×200×6×8。利用SAP2000软件包对空间结构进行分析，在分析的时候为增强对比的效果我们取屋面坡度为1：12和1：6两种。其中，我们要考虑到屋面活荷载、雪荷载、风荷载的标准值，从实际情况出发分别设为0.5、0.4、0.45kN/m2，在组合值系数的设置当中，活荷载、雪荷载、风荷载分别取0.7、0.7、0.6，我们还要考虑到活荷载的不利布置、雪荷载的半坡布置的影响因素[1]。
从表1的支座反力计算结果能够看出，随着屋面坡度的增大，空间结构支座剪力降低，对方案二进行分析，在对角线交叉大梁中部增加斜向支撑，那么支座的位置处于混凝土的圈梁当中，圈梁承受较大的水平推力，对圈梁设计的难度提高，所以将方案一作为设计方案较为合理。由于屋盖空间结构的支座为柔性连接，上部结构产生的推力较大导致对下部混凝土柱的验算较为困难，所以在方案一的设计当中，采用滚轴支座的处理能够有效降低支座剪力。滚轴支座是在支座的底板开椭圆孔，这样支座节点就能够在推力的方向进行线性位移。滚轴支座能够有效缩短工期、降低造价，便于维护修理工作，在这个空间结构当中伸缩缝处不需要设置双柱，这种设计能够有效地节省建筑面积，从而提高施工的效率，所以设计人员要充分利用滚轴支座的优势，在设计过程中合理应用滚轴支座的施工技术。
当屋面的坡度为1：6的时候，钢屋架支座的剪力为0，同时支座位移的最大值为31mm，在恒载与活载作用的条件下产生了一定的支座位移，分别为16mm、15mm。在空间结构自主作用下不对支座固定螺栓进行紧固，使得这部分荷载对支座产生的位移进行放松，在恒载作用下的位移全被消化，通过紧固固定螺栓让支座只承担活荷载作用下产生的位移，那么位移值为15mm。在设计的时候，混凝土柱只需要考虑上部空间交叉大梁传导的轴力所产生的影响。在方案一当中，我们能够了解到全部固定的铰支座的对角线交叉大梁的变形程度比在大梁一侧设置滚轴支座的大梁变形程度更大。
表1 两种设计方案下的支座反力对比（kN）
3.钢屋架支座节点设计的分析
考虑到支座节点构造与受力的复杂性，在对节点进行深化设计的过程中，我们使用到了美国ANSYS公司开发的有限元通用分析程序ANSYS，并选用程序单元库中的三维实体单元SOLID45，每个单元当中节点数为8，每个节点的自由度为3个，采用国际单位制：N，m进行分析，该程序当中的自由网络划分技术能够根据模型的实际外形自动安排网格疏密程度，这样我们就可以建立支座节点的三维实体模型。考虑到安全因素取设计值为295MPa，用设计值的1.2倍来施加荷载，那么实际的荷载值为：上弦杆、斜腹杆、GC杆施加的压应力、拉应力、拉力分别为354MPa、354MPa、100MPa，其他两根辅助杆施加的应压力为100MPa。
当抗拉或者抗压的强度不足时，焊接球会出现结构破坏的情况，所以为了规避这种情况发生，我们要让铰支座的强度处于其极限承载的范围之内。我们设定让钢屋架的实际受力情况与假定的便捷条件之下的受力情况保持一致，这样能够有效地控制铰支座的变形值。在地震发生的时候，常会出现支座节点的连接先被破坏而钢屋架结构没有被破坏的情况，为了避免这种情况的发生，我们要对钢屋架抗震情况的稳定性进行合理分析。首先假定使用的材料是理想的弹塑性材料，利用双线性的本构关系图进行双重非线性的分析，随着系统收敛性能的提升，对程序平衡迭代（NEQIT）的使用不设限制。当支座节点的变形范围在1mm左右时，节点的刚度较好，而且支座节点大部分区域的等效应力在130MPa以内，当上弦杆与斜腹杆等构件屈服之后支座节点仍然存在弹性，由于我们设置的荷载是设计值的1.2倍，支座节点对主要受力杆施加的应力为354MPa，这个数值能够充分说明支座节点稳定性较好。所以如果支座节点使用的焊接球为650×30，并在焊接球节点与上弦杆、斜腹杆之间用加劲板进行贯通，那么支座节点的承载力能够满足要求。
设计人员需要根据设计结果来绘制并深化设计的二维图纸，在二维图纸当中需要反映出建筑工程整体的三维关系，需要体现支座节点的几何尺寸、截面形式、定位尺寸等内容，以及主材与辅材等构件型号的规格信息、焊接坡口形式、焊缝尺寸的信息。在支座节点处采用十字肋条的设置法能够提高整个节点的刚度、稳定性以及抗压承载力。
4.结论
本文对屋盖空间结构采用了对角线交叉梁的设计，并对支座受力进行计算分析，确定了只采用两条对角线交叉大梁作为上部结构的设计方案，根据分析内容我们得出以下结论：（1）在支座节点设计之前我们可以利用ANSYS有限元程序计算节点的受力情况，在钢管与支座节点的相接处设置倒角，让连接处尽量圆滑，并对钢管的壁厚进行合理取值。
（2）在超长的空间结构当中，为了避免钢屋架的结构变形以及各种力的影响，可以对支座节点设置滑动支座，既能够节省了建筑的面积，还能够简化施工，从而提高了施工的效率，同时还保证了施工的质量。
（3）为了消除支座推力对下部结构产生的影响，在设计当中对支座节点进行了开椭圆孔的设计，在施工的时候需等全部恒载作用施加完成以后再将屋盖的构架固定在支座节点上，因为这时的支座没有受到推力的影响，支座需要考虑的是来自活荷载、地震作用、风荷载、温度引起的位移。因此，结合对空间结构多种工况的计算结果以及经济条件等因素的对比分析，将改变空间结构的边界条件应用到建筑技术上具有一定的可行性，而且操作也非常方便，这种支座节点的设计方案使用与跨度大、吨位大的钢结构当中，可以为实际的工程建设提供一定的参考价值。
总而言之，在对空间钢屋架节点设计之前要进行充分的分析以及实地考察，规避各种施工过程中会出现的操作问题、安全问题，对空间钢屋架支座节点的设计方案、设计模型、稳定性等进行合理设置，综合考量空间钢屋架支座在设计荷载作用下的强度、刚度等影响因素，让空间钢屋架支座节点的价值发挥到最大。
参考文献：
[1]谢春莉. 某空间钢屋架支座节点设计与施工控制[J]. 科技信息，2010（21）：1117.
[2]董宏英.空间钢结构平板支座节点形式研究[J].河南科学，2005（06）：82-84.
[3]喻金霞.钢平板拉压弯剪支座的受力分析与合理应用[J].科技传播，2010（14）：227-228.
[4]范重，杨苏，栾海强. 空间结构节点设计研究进展与实践[J]. 建筑结构学报，2011，32（12）.
作者简介：
李国娃，一级注册结构工程师。
论文作者:李国娃
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/3
标签：支座论文; 节点论文; 屋架论文; 荷载论文; 空间结构论文; 结构论文; 空间论文; 《基层建设》2019年第10期论文;