空间钢管梭形钢架设计简述

1、空间钢管梭形桁架设计简述国标钢结构设计规范GB50017-2003增加了“钢管结构”一章，为钢管结构的应用创造了良好的技术条件。空间桁架本身是立体的，平面外刚度大，自成稳定体系，利于吊装和使用，因之可以简化甚至取消支撑，吊装与使用两阶段受力状态基本一致，不会因吊装而增加用料。吊装简单，减少大量高空作业,若采用钢管杆件，则比平面桁架可节省钢材3050，节点采用钢管相贯连接，省去节点板，减少了管材接头，节约用料。空间钢管桁架的形状若采用梭形，即是本文所介绍的空间钢管梭形桁架。1、空间钢管梭形桁架的优势：采用圆钢管作为杆件形成的两端尖而中间粗的空间桁架形式也称之为空间钢管梭形桁架。该桁架如果外形尺寸

2、确定恰当，不但各杆件受力合理，而且外观也相当漂亮，可用于有檩屋盖，也可用于无檩屋盖。近年来在各种工业生产厂房、仓库、某些公共建筑等屋盖中得到广泛应用。它的主要优势在于：1.1它是空间结构，各个杆件之间互相起支撑作用，既是受力杆件也是支撑杆件，能够充分发挥各个杆件的作用，整个屋盖系统除设置少量系杆外，一般不需要其他支撑系统，这样不但节省了钢材，且施工简便快捷。1.2桁架的形状为梭形，和简支梁在均布荷载下的弯矩图形状相似，这样弦杆跨中和端部杆件内力相差不大，受力均匀合理，能很好地发挥各个杆件的作用，避免了梯形桁架端部和三角形桁架跨中弦杆截面积富余较多的弊端。1.3杆件为钢管，钢管截面强度大，抗压抗

3、扭性能好，钢管和大气接触表面积小，易于防腐，这是其他形式杆件无法比拟的。1.4普通平面钢桁架的节点板占钢桁架总重的12左右，钢管空间梭形桁架构件之间为直接焊接，仅用少量连接板，节约用钢量，减少现场施焊。1.5桁架的形状感觉轻巧美观。2、空间钢管梭形桁架外形尺寸的确定2.1梭形桁架高跨比的确定如图一所示，梭形桁架的高度h要根据荷载大小和使用要求等综合考虑，通常取h/L1/201/13，对于轻型桁架，当静载设计值q3.0KN/时，h/L1/15左右较为经济，当更轻时，可取h/L1/201/15。2.2梭形桁架细部尺寸确定根据屋面材料、坡度、檩条间距以及腹杆与弦杆的夹角等确定a1和a3尺寸，一般取a

4、1a2,a1正常是檩条间距，a3a1，a0（1.21.5）a1，300550。图一梭形屋架外形图2.3 杆件直径和壁厚的确定 恰当的选择斜腹杆d1与弦杆的直径d0之比d1/d0.使其之间有良好的焊接性能,且腹杆端头切割简单,连接方便,应使d1/d0<1.0. 弦杆壁厚t0与腹杆壁厚t1之比值t0/t1在可能条件下应大一点好,一般在2.0左右.<<钢结构设计规范>>GB500017-2003规定圆钢管的外经与壁厚之比不应超过100(235/fy).对梭形桁架而言,弦杆直径d0和壁厚t0之比通常取2030.对受压弦杆要尽量取值大一点,对抗压稳定性有利.而对受拉弦杆则可

5、小些.腹杆壁之间的间隙a要适当a>t1+t2(t1和t2为两腹杆之壁厚)主要是为了保证腹杆脚趾处有足够的空隙,能很好的施焊,便于焊缝检验.但a值太大会降低节点强度.2.4梭形桁架断面的形式屋架断面分为正三角形和倒三角形两种，一般来说当桁架跨度L和间距S不太大时（一般L40m，S8.0m），多采用正三角形断面形式，当L和S较大时，多采用倒三角形断面形式。桁架宽高比b/h和c/h一般在1/31/2之间。两种断面形式的优缺点对比正三角形断面倒三角形断面上小下大，重心低，自身稳定性好，上弦压杆为1根，比分为2根可以承受较大压力上弦之间有水平连杆，上弦支撑好，可以减小檩条跨度。上弦平面可做成矩形，

6、抗扭刚度大，但要增大支座宽度3、梭形桁架的设计计算3.1内力分析钢管梭形桁架是静定的空间桁架，可简化为平面桁架进行分析，把桁架上弦（下弦）的竖向（或水平）荷载分解到平面屋架上进行分析，如图二把荷载P分解为P作用在平面屋架上进行分析。屋面荷载都集中到节点上，如果节点之间有檩条的话，则应另考虑它对屋架的影响。计算简图详见图二。按图上计算的上弦内力乘以2以后才是上弦的实际内力；对倒三角形而言，按此方法计算得到的下弦内力需要乘以2以后才是下弦的实际内力。可用计算机按空间桁架进行详细内力计算与分析,以此作为设计的依据.3.2挠度验算这种桁架一般不进行挠度验算，在制作时，18m跨度以上宜起拱，挠度取1/5

7、00L。当荷载和跨度较大时，有较大悬挂荷载时，或者有特殊要求时应验算挠度。按结构力学的虚力原理可计算屋架的挠度值。图二梭形屋架计算简图3.3上弦杆局部弯矩的计算屋架跨度较大时，上弦节点之间的距离也相应增大，节点之间存在支承檩条作用的节点荷载，此时上弦杆产生的局部弯矩可近似按下列规定取用（图三）。端节点正弯矩取0.8M0，其它相应节点间的正、负弯矩（包括屋脊节点）均取0.6M0，M0为节点间作为单跨简支梁计算的最大弯矩图三上弦杆局部弯矩图3.4弦杆偏心引起的次弯矩计算当弦杆节点上有偏心距时，由此产生的次弯矩M=N·e，N为n节点上两边弦杆拉（压）内力之差，e为节点偏心距。次弯矩M按节点

8、上两边弦杆的线刚比进行分配，如图四所示。计算某弦杆应力时，应考虑该节间同一截面处局部弯矩和次弯矩的作用，按压（拉）弯杆件计算。图四次弯矩图3.5连接焊缝的计算精确地计算腹杆与弦杆的连接焊缝十分复杂，考虑到应用和计算方法方便等问题，把腹杆与弦杆的连接焊缝近似看作全周角焊缝进行计算。4、主要节点形式及节点强度计算4.1主要节点形式正三角形断面形式的腹杆与下弦的连接和倒三角形断面形式的腹杆与上弦的连接节点，可称为单平面桁架节点；正三角形断面形式的腹杆与上弦的连接和倒三角形断面形式的腹杆与下弦的连接节点，可称为双平面桁架节点。其节点形式主要有图五所示几种。各种节点都有其特点.图五：主要节点形式a.单平

9、面K型节点b.单平面KY型节点c.单平面Y型节点. d.双平面KK型节点 e. 双平面KYKY型节点 f.双平面YY型节点 4.2节点偏心的影响实际工程中采用无偏心有间隙节点较好（节点a），尽量避免偏心，这是因为由于偏心作用，在弦杆中必定产生一定的次弯矩。如果偏心保持在0.55e/d00.25(e为偏心距,d0为圆主管外经)范围内，对受拉弦杆产生的偏心次弯矩影响可以忽略不计，而对于受压杆件，不论偏心的大小，所产生的次弯矩影响都必须考虑,此时偏心弯矩: M=Nxe (N为节点两侧主管轴力之差)4.3节点强度计算所谓节点强度计算，就是为了保证节点处弦杆的强度，使腹杆的轴心力不得大于按规定计算的承载

10、力设计值。对梭形桁架而言，主要是计算单平面K型节点、双平面KK型节点和单平面Y型节点，而单平面KY型节点和双平面KYKY型节点，受力比较复杂。当受力较大时，一般采用增加节点板或空心球来连接腹杆和弦杆。当腹杆承受压力过大时，节点的破坏主要是弦杆壁口局部屈曲引起，而当腹杆承受过大拉力时，主要是弦杆破坏；当弦杆承受压力时，将促使节点的局部变形，节点强度随腹杆压应力的增大而降低。为了保证节点处弦杆的强度，各种节点形式的腹杆轴心力不得大于计算的承载力设计值。各种不同节点形式其承载力的计算方法均按<<钢结构设计规范>>GB50017-2003第10.3节执行.5、杆件的计算长度与支

11、撑的布置空间梭形桁架的计算长度,腹杆在任意平面内均取其几何长度,对于正三角形断面,下弦节点处设置了水平连杆,因此下弦的计算长度可取其几何长度.上弦屋脊处两腹杆间的夹角小,腹杆对上弦的侧向支撑作用就小,屋脊处应设通长系杆,随着距跨中距离的增大,两腹杆间的夹角也增大,沿桁架方向每隔6.08.0M设一道刚性系杆,上弦节点处均布置檩条,对桁架上弦也有较强的侧向支撑作用.综合考虑这些因素,上弦杆的计算长度可取其几何长度.对于倒三角形断面,上弦节点之间有水平连杆,上弦杆的侧向刚度比正三角形断面大,因此上下弦杆的计算长度均取其几何长度.梭形桁架本身是一个稳定结构,一般情况下可不设置水平支撑,对于跨度较大,高度较高或有中级和中级以上起重量较大的吊车等情况下,应设置水平支撑.6、小跨度空间梭形屋架的应用当空间梭形屋架跨度L14m，且屋盖为轻型材料时，杆件采用的钢材规格小而轻，上弦多采用单角钢或钢管，下弦和腹杆采用圆钢或钢管。此时断面形式一般为正三角形。此时上弦为单一受压杆件，材料耗量少而经济，檩条与上弦的连接也简单。高跨比可取h/L=1/201/10，由于檩条通常作为上弦支撑杆件，所以上弦节点都必须布置檩条。控制梭形桁架上弦杆的容许长细比150，腹杆和连杆受压杆200，受拉杆400。小跨度空间梭形屋