王雅文
(廈門中建東北設(shè)計(jì)院有限公司 福建廈門 361000)
鋼桁架結(jié)構(gòu)20世紀(jì)60年代在我國(guó)首次應(yīng)用。近年來,隨著各類體育場(chǎng)館、大型機(jī)場(chǎng)和會(huì)展中心等大型公共建筑的建設(shè)日益增多,鋼桁架結(jié)構(gòu)獲得迅速發(fā)展,吸引了工程師和學(xué)者的廣泛研究。
楊文偉等[1]對(duì)4個(gè)鋼管桁架結(jié)構(gòu)K形搭接節(jié)點(diǎn)足尺試件進(jìn)行試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明:K形搭接節(jié)點(diǎn)內(nèi)隱藏焊縫對(duì)試件的承載能力影響不大,隱藏焊縫不焊接節(jié)點(diǎn)試件的滯回耗能優(yōu)于隱藏焊縫焊接的節(jié)點(diǎn)試件;隱藏焊縫不焊接節(jié)點(diǎn)試件的變形是隱藏焊縫焊接節(jié)點(diǎn)試件的1.1~1.2倍。黃逸群等[2]以某工業(yè)管道支架采用的兩端簡(jiǎn)支矩形截面空間鋼管桁架為研究對(duì)象,采用非線性有限元法,進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析,提出矩形截面空間鋼管桁架整體穩(wěn)定實(shí)用設(shè)計(jì)方法。趙嘯峰等[3]采用3種方法對(duì)4種桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)倒塌動(dòng)力有限元分析,結(jié)果表明:瞬時(shí)剛度退化法能夠較準(zhǔn)確地模擬桿件失效所引起的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng),高敏感性桿件失效時(shí),建議采用瞬時(shí)剛度退化法。徐琳等[4]對(duì)大跨度雙曲面管桁架鋼結(jié)構(gòu)屋蓋施工受力性能進(jìn)行研究,通過有限元方法對(duì)吊裝施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,驗(yàn)算桁架在吊裝過程中支架和主體結(jié)構(gòu)的安全性。陳波[5]等對(duì)矢跨比分別為1/4、1/6和1/8的3個(gè)拱形桁架屋面進(jìn)行同步測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn),分析風(fēng)荷載和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)平面拱形桁架風(fēng)振響應(yīng)和等效靜風(fēng)荷載的影響規(guī)律,結(jié)果表明:0°風(fēng)向時(shí),高矢跨比屋面的最大負(fù)壓幅值出現(xiàn)在屋頂,而低矢跨比的出現(xiàn)在迎風(fēng)前緣。
目前國(guó)內(nèi)針對(duì)桁架節(jié)點(diǎn)、抗連續(xù)倒塌、施工受力性能、桁架風(fēng)振相應(yīng)等方面做了相關(guān)研究,但對(duì)于桁架設(shè)計(jì)參數(shù)的研究相對(duì)較少。同時(shí),我國(guó)2010年發(fā)布了《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 7[6],對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的跨高比、短向網(wǎng)格數(shù)、相鄰桿件夾角及撓度限值等作了相關(guān)規(guī)定,但缺少對(duì)桁架結(jié)構(gòu)節(jié)間長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)參數(shù)參考取值,不利于桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展。本文選取桁架結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象,基于實(shí)際工程,分析節(jié)間長(zhǎng)度對(duì)桁架的受力、變形性能及含鋼量等的影響規(guī)律,提出相應(yīng)的參考取值范圍,可為廣泛的工程應(yīng)用提供參考。
某工程位于福建省,其中某棟為單層封閉式游泳池,跨度達(dá)61 m×36 m,局部有夾層,其中一側(cè)為兩層走廊,底部結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)上部屋面短跨采用單向平面桁架,建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年,安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度為7度,基本地震加速度0.1 g,設(shè)計(jì)地震分組第三組,場(chǎng)地類別為Ⅱ類,特征周期0.45 s,基本風(fēng)壓為0.8 kN/m2(50年一遇),地面粗糙度按A類。
結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示,選取圖中虛線范圍單榀平面桁架進(jìn)行分析。為了簡(jiǎn)化模型,作出以下基本假定:
(1)桁架桿件均為直桿;
(2)桁架支座剛接;
(3)桁架間距取7.5 m計(jì)算荷載,且荷載均作用在桁架平面內(nèi)。
簡(jiǎn)化模型示意如圖2所示。
圖1 結(jié)構(gòu)平面圖
圖2 簡(jiǎn)化模型示意圖
采用3D3S(版本V2020.3.20)進(jìn)行分析,桁架跨度36 m,桁架跨高比取1/15,腹桿采用全斜式,上下弦節(jié)間長(zhǎng)度分別取1.2 m、1.6 m、2.0 m、2.4 m、2.8 m、3.2 m、3.6 m和4.0 m,上弦桿截面均取A377×14 mm,下弦桿截面均取A530×14 mm,腹桿截面均取A140×10 mm。鋼構(gòu)件均采用Q355B結(jié)構(gòu)鋼,彈性模量取2.06×105kN/mm2,泊松比取0.3,線膨脹系數(shù)取1.2×105,密度取7850 kg/m3,荷載工況及荷載取值如表1所示。
表1 荷載工況及荷載取值
各桁架跨中和支座處的上、下弦桿及腹桿內(nèi)力最大值對(duì)比如圖3所示,最大位移如圖4所示,構(gòu)件強(qiáng)度應(yīng)力比對(duì)比如表2所示,整體穩(wěn)定應(yīng)力比對(duì)比如表3所示,含鋼量對(duì)比如表4所示。
(a)軸力
(b)剪力
(c)彎矩
圖4 不同節(jié)間長(zhǎng)度桁架最大位移對(duì)比
由圖3可知,節(jié)間長(zhǎng)度L的變化對(duì)桁架跨中構(gòu)件最大內(nèi)力的影響不大,對(duì)支座構(gòu)件的影響較為明顯。隨著L的增加,支座上弦軸力減小,L=4 m(ln/9,ln為跨度,余同)時(shí)支座上弦軸力比L=1.2 m(ln/30)時(shí)減小43.6%,影響較大,剪力和彎矩變化不大。增大L,支座下弦軸力先減小后增大,當(dāng)L=2.8 m(ln/12.8)時(shí)最?。患袅蛷澗刂饾u減小,L=4 m時(shí)支座上弦的剪力和彎矩比L=1.2 m時(shí)分別減小57.6%和28.5%,影響較為顯著。支座腹桿軸力隨著L的增加逐漸增大,L=4m時(shí)支座腹桿的軸力比L=1.2m時(shí)增加83.4%,影響顯著。同時(shí),可以看出,在設(shè)計(jì)過程中調(diào)整節(jié)間長(zhǎng)度時(shí),應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注支座處的受力狀態(tài)和構(gòu)件截面的調(diào)整。
由表2可知,增大L使得桁架整體強(qiáng)度應(yīng)力水平增大;當(dāng)L=1.2 m時(shí),由于支座下弦桿線剛度過大,導(dǎo)致支座下弦桿應(yīng)力超限(圖5),不滿足規(guī)范要求,因此節(jié)間長(zhǎng)度不宜過小。由表3可知,桁架整體穩(wěn)定應(yīng)力比隨著L的增加而增大,整體穩(wěn)定性逐漸下降,當(dāng)L=4 m時(shí),整體穩(wěn)定應(yīng)力比超限,不滿足規(guī)范要求,因此節(jié)間長(zhǎng)度不宜過大。
由圖4可知,隨著L的增加,桁架最大位移逐漸減小。為了進(jìn)一步分析節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度對(duì)桁架剛度的影響規(guī)律,按式(1)分別計(jì)算各桁架的抗彎剛度:
P=KΔ
(1)
式中:P為結(jié)構(gòu)所受外荷載,K為桁架抗彎剛度,Δ為桁架豎向變形。
剛度計(jì)算結(jié)果如圖6所示,由圖可知,桁架剛度隨節(jié)間長(zhǎng)度的增加而增大,L=4 m時(shí)桁架剛度比L=1.2 m時(shí)提高18.5%。由于桁架的受力類似于空腹梁,根據(jù)上述分析可知,節(jié)間長(zhǎng)度越大,腹桿與下弦桿的夾角越小,對(duì)桁架的抗彎越有利。
由表4可知,增大L桁架含鋼量降低,但對(duì)含鋼量的影響逐漸減小。不同節(jié)間長(zhǎng)度桁架自重與外荷載比值對(duì)比如表5所示。由表可知,桁架自重與外荷載的比值約為36%~41%,占比相對(duì)較大,分析時(shí)不可忽略自重的改變對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形的影響。綜上所述,節(jié)間長(zhǎng)度可取1.6 m~3.6 m,即跨度的1/22~1/10,建議取1/13~1/12。
不同節(jié)間長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的腹桿間夾角(不包括支座)如表5所示。結(jié)合上述分析由表5可知,腹桿間夾角不宜小于30°,也不宜過大,建議取60°。
圖5 L=1.2m時(shí)桁架強(qiáng)度應(yīng)力比
圖6 不同節(jié)間長(zhǎng)度桁架剛度對(duì)比
表2 不同節(jié)間長(zhǎng)度強(qiáng)度應(yīng)力比對(duì)比%
表3 不同節(jié)間長(zhǎng)度整體穩(wěn)定應(yīng)力比對(duì)比 %
表4 不同節(jié)間長(zhǎng)度桁架含鋼量對(duì)比
表5 不同節(jié)間長(zhǎng)度桁架自重與外荷載比值對(duì)比
表6 不同節(jié)間長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的腹桿間夾角
本文針對(duì)鋼桁架結(jié)構(gòu),分析了不同節(jié)間長(zhǎng)度時(shí)桁架結(jié)構(gòu)的受力、變形和含鋼量等的變化規(guī)律,得出以下結(jié)論:
(1)節(jié)間長(zhǎng)度的變化對(duì)桁架跨中構(gòu)件最大內(nèi)力的影響不大,對(duì)支座構(gòu)件的影響較為明顯。隨著節(jié)間長(zhǎng)度的增加,支座上弦軸力減小,剪力和彎矩變化不大;支座下弦軸力先減小后增大,當(dāng)節(jié)間長(zhǎng)度為2.8 m時(shí)最小,剪力和彎矩逐漸減小,影響較為顯著;支座腹桿軸力逐漸增大,影響顯著。
(2)增大節(jié)間長(zhǎng)度,桁架最大位移減小,桁架剛度增大,桁架整體強(qiáng)度應(yīng)力水平和穩(wěn)定性應(yīng)力比增大;但節(jié)間長(zhǎng)度過小時(shí)支座下弦強(qiáng)度超限,過大時(shí)整體穩(wěn)定性不滿足要求。
(3)增大節(jié)間長(zhǎng)度,桁架含鋼量降低,但對(duì)含鋼量的影響逐漸減小。
(4)節(jié)間長(zhǎng)度可取1.6 m~3.6 m,即跨度的1/22~1/10,建議取1/13~1/12。
(5)腹桿間夾角不宜小于30°,也不宜過大,建議取60°。