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摘要：桁架中的杆件大部分情况下主要受拉力或压力，应力在截面上均匀分布，因而容易发挥材料的作用，可节省钢材且施工方便。但是，钢桁架的杆件和节点较多，构造较为复杂，因此需要对其结构和设计进行分析。本文以钢桁架结构的相关理论为依托，对屋盖支撑布置、桁架荷载与内力计算、桁架杆件和节点设计等内容进行了分析，并结合具体实例进行了论证。
关键词：钢桁架屋盖；结构；设计
前言
钢桁架结构是利用钢材作为结构材料的桁架结构，由于其材料的优越性，广泛地被应用于各类建筑中。钢屋盖结构通常由屋面、檩条、屋架、托架和天窗架等构件组成，无檩体系屋盖屋面构件的种类和数量少，构造简单，安装方便，施工速度快，且屋盖刚度大，整体性能好；但屋面自重大，常要增大屋架杆件和下部结构的截面，对抗震也不利。有檩体系屋盖可供选用的屋面材料种类较多，屋架间距和屋面布置较灵活，自重轻，用料省，运输和安装较轻便；但构件的种类和数量多，构造较复杂。在选用屋盖结构体系时，应全面考察房屋的使用要求、受办特点、材料供应情况以及施工和运输条件等，以确定最佳设计方案。
1桁架形式的确定原则
1）满足使用要求：对屋架来说，上弦坡度应适合防水材料的需要。如三角形屋架，上弦坡度比较陡，坡度一般为1/3～1/2；梯形屋架上弦较为平坦，坡度一般为1/12～1/8。此外屋架在端部与柱是简支还是刚接，有无吊顶、天窗等因素也影响着屋架外形的确定。
2）受力合理：对弦杆来说，所谓受力合理是要使各节问弦杆的内力相差不太大；对腹杆来说，为使桁架受力合理，应使长杆受拉短杆受压，且腹杆数量宜少，腹杆总长度也应较小[1]。
3）制造简单，运输与安装方便：从制造简单方面看，应该是杆件数量少、节点少、杆件尺寸统一及节点构造形式统一。此外，桁架中杆与杆之间的夹角以30°～60°为宜，夹角过小时易使节点构造不合理。
2屋盖钢桁架结构与设计方法分析
屋盖设计主要包括屋盖支撑的布置、屋架形式的选择及具体构造的设计和计算。
2.1屋盖支撑
屋盖和柱组成的结构体系是一平面排架结构，纵向刚度很差。支撑将平面屋架连成一空间结构体系，从而保证了屋盖的整体性和稳定性。根据支撑布置的位置不同，可分为以下四类：
1）上弦横向支撑：一般布置在房屋两端的第一柱间或第二柱间内。当房屋较长时，需沿长度方向每隔50～60m再布置一道上弦横向支撑，以保证上弦支撑的有效作用，提高屋盖的纵向刚度。
2）下弦支撑：又可分为弦横向支撑和纵向支撑，其中横向支撑主要作用是作为山墙抗风柱的上支点，以承受并传递由山墙传来的纵向风荷载、悬挂吊车的水平力和地震引起的水平力，减小下弦在平面外的计算长度，从而减小下弦的振动；纵向支撑主要作用是加强房屋的整体刚度，一般布置在屋架左右两端节问，而且必须和屋架下弦横向支撑相连以形成封闭体系。
3）垂直支撑：当梯形屋架跨度小于30m时，应在屋架跨中及两端竖杆平面内分别设置一道垂直支撑；当大于或等于30m时，应在屋架两端和跨度三分之一左右的竖杆平面内各设置一道竖向支撑。
4）系杆：一般情况下，垂直支撑平面内的屋架上、下弦节点处应设置通长的柔性系杆；当屋架横向支撑设在厂房两端或温度缝区段的第二柱间内时，则在支撑点与第一榀屋架中间设置刚性系杆[2]。
2.2屋架的设计
2.2.1内力计算
（1）屋架节点上的荷载计算
作用在屋架上的荷载有永久荷载和可变荷载两大类。其中永久荷载包括屋面材料、檩条、屋架和支撑，以及天窗架和吊顶等结构自重。屋架和支撑的自重按经验公式计算：
可变荷载包括屋面活荷载、积灰和积雪荷载、风荷载以及悬挂吊车荷载等。其中屋面活载与雪荷载不会同时出现，可取二者中的较大值计算。
（2）屋架杆力计算
首先确定何种荷载组合是最关键的——有些情况存在多种可能的组合。例如，当风和地震作用都是可能的重要荷载，且有一种以上的活荷载(例如屋面荷载加悬挂荷载)时，理论上可能的荷载组合个数有多种。但是，设计人员通常能够排除一些不可能的荷载组合，例如，飓风和强震同时发生，从统计上讲是不太可能的。
在确立必要的设计荷载情况后，对每种荷载进行单独的分析。然后可以对每个杆件进行荷载组合，以判断哪种组合起控制作用。在一些情况下，可能需要对特定的杆件进行某种组合，而对其他杆件进行其他不同的组合。
（3）组合效应
当分析桁架时，设计人员通常假定桁架节点承担所有的荷载。如果这样，杆件仅通过节点承受荷载，因此只有拉力和压力。然而，在某些情况下桁架杆件是直接承受荷载的，例如，当桁架的上弦杆支承屋面板而没有其他节点帮助传递屋面荷载时，弦杆作为一个杆件承受两端节点之间的线性均布荷载和作用。对于一个典型的屋架，实际的荷载由沿上弦杆连续分布的屋面荷载和沿下弦杆连续分布的顶棚荷载组成。换言之，实际荷载是轴向拉力和弯矩的组合。因此，对于上、下弦杆需要较大杆件，估计任何桁架重量都必须反映此附加荷载的要求[3]。
2.2.2节点设计
节点设计时，应根据各杆件截面的形式确定节点连接的构造形式，然后根据杆件的内力，计算连接焊缝的长度和焊脚尺寸hi，再根据节点上各杆件的焊缝长度，并考虑各杆件间应留的空隙确定节点板的形状和平面尺寸。
所有杆件与节点板的连接焊缝计算长度均按下式计算：
2.3施工图设计
施工图中主要图画用以绘制屋架的正面图，必要的侧面图，以及某些安装节点或特殊零件的大样图，施工图还应有其材料表。不仅要全部注明各零件的型号和尺寸，包括其加工尺寸、零件(杆件和板件)的定位尺寸、孔洞的位置，以及对工厂加工和工地施工的所有要求，还要对各零件要进行详细编号，零件编号要按主次、上下、左右一定的顺序逐一进行。此外施工图中的文字说明应包括不易用图表达以及为了简化图面而易于用文字集中说明的内容，如：钢材品种、焊条型号、焊接方法和质量要求等[4]。
3实例分析
3.1工程概况
我国某市拟建大型体育设施，其中主体育场占地面积53343m2，建筑面积34364m2；设计地面标高9.40～11.70m，高3层，建筑高度36.5m(室外地面至屋顶最高处)，为可容纳2.5万观众的甲级体育建筑。主馆看台及附属结构地上3层，为现浇钢筋混凝土框架结构。因体育馆跨度大，屋盖采用钢屋盖，结构形式为斜交人字形管拱桁架结构。屋盖结构的支承为两部分，首先是外环的14根落地曲形柱与看台相连，其次主要是以三条似彩虹的叠合拱组成两端独立落地。侧屋盖由两部分组成：两排柱之间的径向间跨梁，角部屋盖的实际悬臂跨度为45.2m。整个屋盖结构形式可以看成是由斜交的多拱桁架、局部钢管混凝土柱和预应力构件组成。
3.2设计荷载和主要材料
3.2.1恒载和活载
3.3.2混凝土支座
对应屋盖钢结构支座处的混凝土大柱，其轴压比限制在0.50以内，保证有足够的承载能力。同时为保证水平推力的传递，沿外圈支座的柱顶设一圈环向拉梁。
3.3.3其他措施
1）支座部分稳定性敏感和应力大的构件增设钢管混凝土柱，大跨度屋盖拱脚“收缩”部分灌注混凝土；
2）对于挠度过大和应力大的构件增设预应力桁架，对于吸风敏感的侧屋盖增设稳定减震索。
3.4屋盖主桁架优化
在保证建筑外形不变的情况下，在主桁架底部2m处增加张拉预应力拉索，纵向拉索直接参与受力。主桁架高度由原来的3m提高到5m(3m+2m=5m)，刚度大大增加了，从而钢量减少了且支座反力也减小许多，下部结构造价也随之减少。
3.5屋盖整体稳定性分析
对于结构的稳定承载能力。通常使用的方法有以下几种：
一是特征值屈曲分析。首先在结构上施加指定的荷载工况，计算得到各杆件内的内力分布，并形成应力矩阵[S]。针对应力矩阵和刚度矩阵[K]进行特征值分析，得到其屈曲荷载因子和屈曲模态。
二是考虑大变形的非线性分析。为了尽可能真实地模拟结构的受力环境，一般要对结构引入一定程度的初始变形，以考虑各种可能的干扰因素(如安装误差、初始弯曲或荷载干扰等)。由于未考虑在变形随着荷载增加过程中局部或部分杆件进入弹塑性状态，由此计算得到的极限承载能力仍然不是结构的实际承载能力。
（1）线性分析结果
不考虑初始几何缺陷和非线性，进行第一类特征值屈曲分析，得到屈曲因子如表1所示。
当荷载一位移曲线发生转折时，荷载因子为1l，满足规范K大于5的要求。
结语
总的来说，屋盖钢桁架工程结构设计要遵循安全、实用的原则．根据工程实际情况进行技术的优化与创新，针对工程的特殊情况与建筑物的环境特点，还要选择了科学、合理、经济的结构形式，各项新技术的应用均具有针对性及实效性，才能取得了良好效果。
参考文献：
[1]刘力,潘剑峰,刘晓斌,张伟,杜吉培.斜向大跨度钢桁架递进式滑移施工技术[J].钢结构.2016(10)
[2]张岩寿,王湘安.钢桁架结构安全性分析[J].低温建筑技术.2012(03)
[3]杨文伟,邹磊,郗文科.宁夏大学体育馆屋盖钢管桁架安装技术[J].工业建筑.2011(08)
[4]包建聪,乔聚甫,路克宽.大屋盖钢结构整体提升点位的研究与应用[J].钢结构.2005(05)
作者简介：陈超高（1985.6—）,男，广西南宁人，工程师，大学本科，从事结构设计工作。
论文作者:陈超高
论文发表刊物:《基层建设》2017年4期
论文发表时间:2017/8/24
标签：荷载论文; 屋架论文; 桁架论文; 结构论文; 节点论文; 屋面论文; 组合论文; 《基层建设》2017年4期论文;