馮 雙， 章代林

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2.馬鞍山建設(shè)工程施工圖設(shè)計文件審查中心， 安徽 馬鞍山 243000)

MIDAS Gen在立體桁架設(shè)計中的應(yīng)用*

馮 雙1， 章代林2

(1.江蘇華威龍玖環(huán)保科技有限公司， 江蘇 南京 211100；

2.馬鞍山建設(shè)工程施工圖設(shè)計文件審查中心， 安徽 馬鞍山 243000)

通過介紹用MIDAS Gen計算某立體桁架的過程，從設(shè)計角度提出建造立體管桁架結(jié)構(gòu)的方法，并對立體管桁架設(shè)計的建模、分析結(jié)果及關(guān)鍵構(gòu)造措施予以重點闡述。

立體管桁架； MIDAS Gen； 計算模型；構(gòu)造要求

引 言

管桁架，是指用圓桿件在端部相互連接而組成的格子式結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的開口截面(H型鋼和I字鋼)鋼桁架相比，管桁架結(jié)構(gòu)截面材料繞中和軸較均勻分布，使截面同時具有良好的抗壓和抗彎扭承載能力及較大剛度。這種鋼構(gòu)不用節(jié)點板，構(gòu)造簡單，制作安裝方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、屋蓋剛度大。空間三角形鋼管桁架在受到豎向均布荷載作用的時候，表現(xiàn)出腹桿抗剪、弦桿抗彎的受力機理。弦桿軸力的主要影響因素是截面的高度，而豎面斜腹桿軸力的主要影響因素是豎面腹桿與豎直線的傾角。水平腹桿在豎向荷載作用下的受力較小，但是如果受到明顯的扭矩作用的話，必須考慮適當加大其截面尺寸。

1 工程介紹

某立體管桁架長120 m，柱子最大跨度90 m，總長120 m，柱間距15 m，采用立體三角管桁架結(jié)構(gòu)。初始方案采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，柱間距為15 m，跨度為90 m，由于受力面積為長條形，采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)耗鋼量大，不經(jīng)濟，故采用立體拱架結(jié)構(gòu)[1，2]。根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]3.4.1，立體拱架的厚度可取跨度的1/20～1/30，矢高可取跨度的1/3～1/6；本工程立體拱架的厚度按1/20取，則拱架厚度為4.5 m，矢高按1/6跨度取，則矢高16 m。

2 計算過程

2.1 模型建立方法

采用MIDAS GEN 8.00進行計算，材料選取鋼材Q235B及Q345B，系桿及屋面橫向支撐采用Q235B鋼材，其余采用Q345B鋼材，計算簡圖如圖1所示。

圖1 立體管桁架計算簡圖

一榀管桁架的建立：先在AUTOCAD中三維建模建好一榀管桁架， 按桿件的不同設(shè)立圖層和顏色，以區(qū)分開來，并把一根柱子的柱底坐標設(shè)為坐標原點，方便控制和查看模型，然后在MIDAS中按圖層導(dǎo)入，這樣可以把結(jié)構(gòu)分成不同的結(jié)構(gòu)組，以賦予截面和方便建模。

整體結(jié)構(gòu)建立：采用MIDAS GEN中的單元復(fù)制命令，間距取15 m，沿Y向復(fù)制一榀管桁架，并布置系桿與水平支撐。建立完成后，選擇除支撐、系桿的所有單元，復(fù)制7次，間距Y向15 m，單元建立完成。

虛面的建立：選擇立體拱架上弦的桿件，用擴展命令，由線生成面，線不刪除，Y向擴展-3 m，生成立體拱架的上弦虛面，再次選擇上弦，Y向擴展12 m，生成上部虛面。選擇所有虛面，Y向擴展7次，間距15 m，生成所有屋頂。

荷載施加：

自重荷載：選擇所有截面，添加自重荷載，Z向系數(shù)-1；

屋頂恒載：(1) 恒載取0.8 kN/m2，上弦受力面積為4.5×(12+3)/2=33.75 m2，一個節(jié)點受力為27 kN，每隔3個節(jié)點屋面附加均布荷載0.8 kN/m2，即每隔3個節(jié)點恒載54 kN；(2)屋頂不上人活荷載：活荷載取0.5 kN/m2，上弦受力面積為4.5×(12+3)/2=33.75 m2，一個節(jié)點受力為17 kN，每隔3個節(jié)點屋面附加荷載0.5 kN/m2，即每隔3個節(jié)點恒載34 kN。

X向風荷載：根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]施加風荷載，選擇封閉式落地拱形屋面確定μs，μz按20 m取，B類長度1.23，基本風壓0.45 kN/m2，按照規(guī)范施加荷載。

圖2 荷載規(guī)范風載體型系數(shù)

地震荷載施加：因為是大跨度結(jié)構(gòu)，采用振型分解反應(yīng)譜法分析，抗震烈度6度，加速度0.05g，Ⅱ類場地。

添加約束條件：選擇柱底，約束X，Y，Z向彎矩和位移，固定支座。

2.2 荷載組合

程序在計算時，采用一系列荷載組合：

(1) 承載能力極限狀態(tài)

組合1: 1.2×自重+1.4×活荷載+0.84右風;

組合2: 1.2×自重+1.4×活荷載+0.84左風;

組合3: 1.35×自重+0.98×活荷載+0.84右風;

組合4: 1.35×自重+0.98×活荷載+0.84左風。

(2) 抗震組合

組合5: 1.2×(自重+0.5×活荷載)+1.3X向地震；

組合6: 1.2×(自重+0.5×活荷載)-1.3X向地震；

組合7: 1.2×(自重+0.5×活荷載)+1.3Y向地震；

組合8: 1.2×(自重+0.5×活荷載)-1.3Y向地震。

(3) 正常使用極限狀態(tài)

組合9: 1×自重+ 1×活荷載。

2.3 荷載布置

各種荷載示意圖如圖3～6所示。

2.4 計算結(jié)果

標準組合下的位移計算結(jié)果如圖7所示。

圖3 屋頂恒載

圖4 屋面不上人活荷載

圖5 右向風荷載

圖6 左向風荷載

標準組合下最大豎向位移為164 mm，根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]3.5.1允許撓度值為1/250，跨度為90 m，撓度允許值為360 mm，滿足規(guī)范要求。

構(gòu)件應(yīng)力比和構(gòu)件驗算結(jié)果分別如圖8,9所示。

由構(gòu)件驗算應(yīng)力比圖形可知，所有構(gòu)件計算應(yīng)力比小于1.0，滿足設(shè)計規(guī)范要求。

圖7 標準組合下位移

圖8 構(gòu)件應(yīng)力比

圖9 構(gòu)件驗算結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)采用MIDAS GEN軟件能快捷地計算大跨度立體管桁架結(jié)構(gòu)，其計算結(jié)果精確，能有效地用于工程設(shè)計當中。

(2) 從設(shè)計上提出了建造立體管桁架結(jié)構(gòu)的策略，以保證結(jié)構(gòu)安全，簡化施工工藝，降低建造成本。

[1] 高標，徐昆，朱慶東，等.某立體管桁架高壓試驗大廳的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J].特種結(jié)構(gòu),2013，30(4)：45—47,87.

[2] 丁蕓孫，劉羅靜.網(wǎng)架網(wǎng)殼設(shè)計與施工[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[3] JGJ7-2010.空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2011.

[4] GB50009-2001.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京：中國人民共和國建設(shè)部，2002.

2015-08-05

馮 雙(1984—)，碩士。E-mail:fengs152478@sina.com

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