楊永剛　鄭海偉

(1.中海油石化工程有限公司，山東 濟南　250101；　2.山東英才學院，山東 濟南　250104)

1　鋼桁架結構介紹

目前，鋼結構主要的結構形式有剛架、框架、桁架、網(wǎng)架、懸索等。

桁架結構是只受節(jié)點荷載作用的等直桿的理想鉸接體系，根據(jù)外形分為平行弦、折弦、三角形桁架，根據(jù)桁架幾何組成分為簡單、聯(lián)合、復雜桁架，按所受水平推力分為無推力的梁式桁架和有推力的拱式桁架。桁架構件只承受軸向拉力或壓力，能充分利用材料的強度。在保證剛度的前提下，一定程度上能減輕自重，具有一定的經(jīng)濟效益。

桁架在鋼結構中的應用較為廣泛，與實腹式鋼梁相比，鋼桁架的特點是以弦桿、腹桿分別代替翼緣、腹板，整體受彎時的彎矩表現(xiàn)為上、下弦桿的軸心受壓和受拉，剪力則表現(xiàn)為各腹桿的軸心受壓或受拉。普通鋼桁架一般采用單腹式桿件，通常是雙角鋼組成的T形截面，有時也用十字形、槽形、圓管、方管等截面，構造簡單，最為常用。腹桿體系通常采用人字式、單斜式等形式。人字式的腹桿、節(jié)點數(shù)量較少，實際工程中被普遍應用?？紤]到上部荷載的布置情況，為減少受壓弦桿的節(jié)間尺寸,通常增加部分豎桿，使整個桁架的布置更加經(jīng)濟、合理。

鋼桁架的高度由經(jīng)濟、剛度、使用等要求確定，對于大多數(shù)工業(yè)類項目，桁架高度首先要滿足工藝流程、管線鋪設、操作檢修等方面的需要，由主導專業(yè)確定凈空要求。尤其對于兩層及以上的鋼桁架結構，層間凈空是設計人員必須要考慮的前提因素。

2　鋼管桁架特點及設計

鋼管結構主要指的是由圓管、矩形管、方鋼管制作加工而形成的一種結構，鋼管桁架結構按桿件的截面可以分為圓鋼管桁架和矩形鋼管桁架。近年來此種形式的桁架結構發(fā)展較快，應用范圍越來越廣。桁架的弦桿、腹桿可以全部采用鋼管，也可以弦桿采用傳統(tǒng)的熱軋H形截面，而腹桿采用鋼管與其有效連接的組合形式。

2.1　與傳統(tǒng)的開口截面相比，鋼管桁架有以下特點

鋼管的管壁較薄，幾何特性好，截面回轉半徑較大。剪心、形心重合，抗扭性能好，抗彎剛度較大，結構穩(wěn)定性好。節(jié)點形式簡單，節(jié)省材料。施工簡單，速度快、節(jié)省施工工期。鋼管和大氣接觸表面積小，有利于防銹，維護更為方便，其內部不易生銹。另外，鋼管桁架結構整體性能好，制作、安裝、起吊都比較容易。

2.2　鋼管桁架的設計

鋼管桁架結構首先要進行荷載作用下的位移、內力計算，在桿件截面及節(jié)點設計中，應按作用基本組合的效應確定內力設計值。然后進行桿件截面設計，確定弦桿、腹桿的截面尺寸。若桿件截面不合理，需要調整進行重新設計，使其滿足設計要求。

外荷載可按靜力等效原則將節(jié)點所轄區(qū)域內的荷載集中作用在該節(jié)點上。當桿件上作用有局部荷載時，應另行考慮局部彎曲應力的影響。雖然鋼管的結構穩(wěn)定性好，但桁架整體的側向穩(wěn)定需要有效保證。對于較多工業(yè)項目，常利用兩榀桁架之間的橫擔作為側向支撐點。橫擔根據(jù)上部荷載點的位置進行布置，使桁架承受節(jié)點荷載，避免弦桿產生彎曲應力，造成不利影響。

3　工程實例分析

某煉油化工項目中一裝置的跨路管廊，共有3層，跨度16 m，寬度6 m，1層高度5 m，2層和3層分別為2.5 m，設計采用人字形平行弦鋼桁架結構，管道荷載為：1層，2層節(jié)點荷載30 kN，3層節(jié)點荷載45 kN。現(xiàn)采用不同的截面形式，對兩種方案進行分析比較。使用結構設計軟件PKPM 3.2版進行計算分析。

3.1　第一種方案

桁架上弦和下弦采用熱軋寬翼緣H型鋼，斜桿、豎桿均采用角鋼組合，滿足設計要求的構件布置詳見圖1，節(jié)點位移詳見圖2。

3.2　第二種方案

桁架上弦和下弦均采用方鋼管截面，滿足設計要求的構件布置詳見圖3，節(jié)點位移詳見圖4。

3.3　兩種方案的分析比較

通過兩種方案的構件截面尺寸、數(shù)量，對用鋼量和節(jié)點位移進行比較，詳見表1。

表1　兩種方案比較列表

從兩種方案的對比分析可以看出，在此跨度和荷載情況下，對于相同結構形式的鋼桁架，采用方鋼管截面比常規(guī)的H型鋼和角鋼截面用鋼量較小，有一定的經(jīng)濟性優(yōu)勢，最大節(jié)點位移相差不大，設計時應優(yōu)先考慮。

4　結語

方鋼管桁架整體性能、受力性能好，外表完整、美觀，有一定經(jīng)濟性，能有效縮短制作工期，是一種很有前途的結構形式。

方鋼管桁架的受力模型應根據(jù)節(jié)點連接形式及荷載情況綜合確定，不能簡單地認為是鉸接。與一般節(jié)點板桁架不同，焊接方鋼管桁架的承載能力不僅取決于桿件的承載力，還取決于節(jié)點連接強度。而節(jié)點強度依賴焊縫強度，并取決于節(jié)點的連接方式和連接桿件的幾何參數(shù)。因此節(jié)點設計比較關鍵，對于節(jié)點施工質量的要求比較高。