工程设计 某中学体育馆方钢管桁架屋盖结构设，ｑ－ 赵宏康 （苏州市建筑设计研究院有限责任公司，江苏苏州 ２１５０２１） 摘要：通过对某中学体育馆方钢管桁架屋盖结构的设计和弦杆旋转４５。放置的方钢管ＫＫ相贯节点的非线性有 ’限元分析，表明倒三角形方钢管立体桁架受力合理，且支座的合理设计能有效改善整体结构的受力性能。基于有 限元分析结果对方钢管ＫＫ节点提出设计的合理化建议。 关键词：方钢管桁架；相贯节点；极限承载力 ＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬ ＤＥＳＩＧＮ ｏＦ ＲＨＳ ＴＲＵＳＳ ＲｏｏＦ ＯＦ ＧＹＭＮＡＳＩＵＭ ＩＮ Ａ ＭＩＤＤＬＥ ＳＣＨｏｏＬ Ｚｈａｏ Ｈｏｎｇｋａｎｇ （Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．Ｌｔ＆ｉｎ Ｓｕｚｈｏｕ，Ｓｕｚｈｏｕ ２ １ ５０２ １．Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｔ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ＲＨＳ ｔｒｕｓｓ ｒｏｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＫＫ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｔｕｂｕｌａｒ－ｊｏｉｎｔｓ ｗｈｏｓｅ ｃｈｏｒｄ ｍｅｍｂｅｒｓ ｗｅｒｅ ｒｏｔａｔｅｄ ４５。．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｃｏｎｖｅｒｓｅ ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ＲＨＳ ｔｒｕｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒｓ ｆｏｒｃｅ ｓｕｉｔａｂｌｙ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔｓ ｃａｎ ａｍｅｌｉｏｒａｔｅ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｄｅｓｉｇｎ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ｏｎ ＫＫ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｔｕｂｕｌａｒ－ｊｏｉｎｔｓ ａｒｅ ｏｆｆｅｒｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ａｎａｌｙｓｉｓ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ＲＨＳ ｔｒｕｓｓ；ｔｕｂｕｌａｒ—ｊｏｉｎｔｓ；ｕｌｔｉｍａｔｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ 四川省绵竹中学前身为紫岩书院，始建于１３１６ 年，１９０７年改办新学，迄今已有百年历史。‘５・１２汶 川大地震波及绵竹，致使绵竹中学校舍严重开裂受 损。江苏省援建绵竹工程指挥部和绵竹市决定 迁址重建新校区，总建筑面积５０ ０００ ｍ。，现新校区 已竣工并投入使用。 迁建工程中的体育馆为地上一层建筑，房屋高度 ２１ ｍ，屋盖桁架跨度４５ ｍ，采用矿棉夹芯板保温屋面。 绵竹市抗震设防烈度为７度，设计地震分组为 图１钢屋盖桁架吊装照片 第二组，设计基本地震加速度为０．１５ ｇ，体育馆的建 筑抗震设防类别为重点设防类。 １屋盖结构选型 体育馆主体采用钢筋混凝土框架一剪力墙结构， 带折角的三角形屋面采用钢桁架结构。从与总体建筑 形式协调、便于施工制作和降低成本等方面综合考虑， 图２桁架断面 断面为倒三角形的立体桁架采用方钢管作为弦杆和腹 杆构件。其中，上弦杆和腹杆正放，下弦杆旋转４５。放 ｌＯ～１２ ｍｍ不等的方钢管；下弦杆采用３２０ ｍｍ× 置，如图１、图２所示。这样桁架下弦不仅使人在仰望 时顿生挺拔秀美之感；而且腹杆只需按斜平面切割就 可与弦杆相贯，制作简便且费用较低。 桁架高度（弦杆中心距）为２ ｍ，跨中在屋脊处 设一平段。上弦杆采用３００ ｍｍ×３００ ｍｍ、壁厚 ３２０ ｍｍ、壁厚１２～２５ ｍＩｎ不等的方钢管；腹杆采用 ２００ ＩＴＩＩＴＩ×２００ ｍｍ、壁厚６～８ ｍｉＤ＿不等的方钢管。 桁架节点采用相贯焊接节点，外观简洁。结合桁架 作者：赵宏康，男，１ ９７０年出生，研究员级高级工程师。 Ｅｍａｉｌ：ｈｏｎｇｋａｎｇ：ｚｈａｏ＠ｓｉａｄ—ｃ．ｃｂｍ 收稿日期：２０１０—０７—０６ ２８ 钢结构 ２０１０年第１Ｏ期第２５卷总第１３８期 赵宏康：某中学体育馆方钢管桁架屋盖结构设计 各杆件的内力，部分内力较小的杆件采用Ｑ２３５一Ｂ 大大降低；内力较大的杆件采用Ｑ３４５一Ｂ材质，使桁 材质，可采用成品方钢管，这样制作成本和工作量均 架保持整体美观。桁架立面见图３。 图３桁架立面（图中未注明材质的杆件均为Ｑ２３５一Ｂ） 桁架采用上弦支点，每榀桁架通过４个铰支座 棉夹芯板。 支于两侧的钢筋混凝土边梁上。倒三角形立体桁架 自身的稳定性较高，故仅在四榀立体桁架之间的跨 ２钢结构屋盖桁架和下部混凝土结构的协调设计 中对称轴上设一榀平面桁架，另在桁架上弦设数道 带折角的倒三角桁架在荷载作用下将产生较大 刚性撑杆与端部混凝土柱相连作为山墙抗风柱的顶 的支座水平推力。分析对比了钢桁架两端采用固定 支点。桁架上布置斜卷边Ｚ形檩条，避开桁架范围 铰支座和一端固定、一端可滑动铰支座时的内力情 内的采光带，为单跨简支，檩条间距１．８ １ＴＩ，上铺矿 况，部分计算结果如表１所示。 表１部分支座反力、构件内力对比 ｋＮ 从表１可知，采用两端固定铰支座时，桁架对下 为保证支座在罕遇地震下不先破坏，采用包括罕遇 部混凝土结构的水平推力较大，但此时桁架构件内 地震工况的支座反力组合包络最大值来确定支座承 力较小且较均匀；如果一端采用可滑动铰支座，则对 载力：取支座竖向承载力设计值为５００ ｋＮ，双向水 下部混凝土结构没有水平推力，上弦杆和腹杆最大 平承载力设计值为２００ Ｎ，最大允许转角０．０５ ｒａｄ， 轴力略有增加，而下弦杆最大拉力大幅增加。因此， 并从构造上保证支座具有抗拉能力。采用的抗拉球 决定采用释放恒载对下部混凝土结构的推力，但在 型钢支座示意如图４所示。 使用阶段采用两端固定铰支座的设计方法：即采用 球型钢支座作为桁架支座，施工时充分利用桁架上 弦支撑整体稳定的优势，在桁架吊装就位后仅固定 桁架一侧的两个支座，另一侧的两个支座暂时不固 定并留有滑移空隙，待屋面板安装完成后再固定。 这样，既有效减小了桁架作用于下部混凝土结构上 的水平推力，改善了下部混凝土结构的受力状态；又 控制了桁架内力，显著降低了桁架的用钢量。同时， 图４抗拉球型钢支座示意 使用阶段桁架两端均为固定铰支座，这使整体结构 在风或地震等水平作用下的反应较为均衡，结构性 ３动力特性分析 能比一端设滑移支座时仅一侧承受水平作用结构有 如前所述，钢结构屋盖与下部钢筋混凝土结构共 大幅度改善。 同受力、协调变形。因此，取钢结构屋盖与下部钢筋 桁架两端的固定铰支座采用抗拉球型钢支座， 混凝土结构总装的计算模型，采用ＳＡＰ ２０００ ｖ１２软 按ＧＢ／Ｔ １７９５５—２０００￣球型支座技术条件》设计。 件进行整体分析，如图５所示。整体结构分析时阻尼 Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１０（１０），Ｖｏ１．２５，Ｎｏ．１３８ ２９ 工程设计 比取０．０３５，钢结构屋面单独分析时阻尼比取０．０２。 出了ＧＢ ５００１７—２００３（（钢结构设计规范》有关条文 的范畴，本文采用ＡＮＳＹＳ ９ ０通用分析软件进行 节点的非线性分析。 有限元分析采用Ｓｈｅｌｌ １８１单元模拟方钢管，材 料采用双线性等向强化模型，弹性模量Ｅ 一２．Ｏ６× １０ ＭＰａ，弹性模量Ｅ ２—２．０６×１０。ＭＰａ，泊松比取 ０．３。以图３中节点Ａ为例，主管屈服强度取 ３４５ ＭＰａ、支管取２３５ ＭＰａ。按Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ准则及 其相关的流动法则、等向强化理论考虑材料弹塑性， 考虑大变形几何非线性对单元形状的改变和刚度改 图５计算模型 变，不考虑残余应力的影响。采用Ｎｅｗｔｏｎ—Ｒａｐｈ～ 采用Ｒｉｔｚ向量法进行结构的三维模态分析，表２ 列出了前９阶模态的周期、质量参与系数等计算结果。 表２周期及质量参与系数 模态阶数 周期／ｓ １ ２ ３ ４ ｓｏｎ法进行非线性平衡方程求解。收敛准则为位移 和不平衡力收敛准则。有限元模型及计算简图如图 ６所示。 ｒ Ｒｚ Ｏ：０００ ０．００６ ０．０６５ ０．１ ７１ Ｕｘ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．３３６ Ｕｙ ０．０００ ０．０１８ ０．２０９ ０．０００ Ｕｚ ０．０４１ ｏ．０００ ０．０００ ０．０００ ０．５７１ ０．５３３ ０．４００ ， Ｐ ０，３７６ ５ ６ ７ ８ ０．３２２ ０．３０６ ０．２３５ ０．２２０ ０．０００ ０．０１０ ０．２０５ ０．００２ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０００ ０．０３４ 注：利用对称性，取１／２节点 ０．０５５ ０．００３ 图６节点有限元模型及计算简图 ９ ０．２１４ ０．０１７ ０．０００ ０．０００ ０．１３９ 有限元分析显示节点的破坏过程是：随着受荷 的增大，主管与受拉支管相交的内侧首先出现应力 集中并达到局部点的屈服；但最大应力点随即转移 从表２及结构振型可知，前２阶模态均为钢屋 盖沿竖向和水平向的平动，第３、４阶模态分别是主 、到主管与受压支管相交的受压支管端部，应力集中 使主管局部屈服，并逐渐扩大，向支管延伸；当延伸 到一定程度后，两根支管在相贯焊缝附近的塑性区 体结构沿ｙ向平动和沿ｘ向平动，第９阶模态是绕 Ｚ轴转动。可见，结构总体的模态分布较为理想。 ４方钢管空间相贯节点分析 屋盖采用下弦杆旋转４５。放置的倒三角形方钢 逐渐靠近并不断扩大、连通，最终节点破坏。图７显 示以支管（Ｑ２３５一Ｂ）和主管（Ｑ３４５一Ｂ）的屈服强度为 上限的节点极限状态的 Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力云图。从 管空间相贯焊接桁架，其下弦的方钢管ＫＫ节点超 图７可见，节点破坏时支管的应力集中严重，压管和 ａ一以２１５ ＭＰａ为上限．ｂ一以３１０ ＭＰａ为上限 图７节点极限状态的Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力云图 （下转第３４页） ３０ 钢结构 ２０１０年第１Ｏ期第２５卷总第１３８期 工程设计 于７００ ｋＮ／ｍ２（混凝土路面承载力），故柱脚不必单独 做基础，直接放置于现有地面即可满足承压要求。本 结构中柱脚底板的水平反力较小，又考虑到底板与混 凝土之间还有摩擦力存在，故底板与地面只需用４个 钢连接，自身的抗压稳定性较高，采用自重不大的单 角钢以及螺栓连接给人力拆装带来了方便。构件截 面均为型材，质量更有保证而且制作周期短、节省辅 材，具有一定的经济效益。 化学锚栓连接即可满足受力要求。连接形式见图５。 ２）采用三维空间计算软件对工程结构进行整体 分析，确保了结构设计的安全性、适用性、经济性和 合理性。 ３）目前，临时支架已经在钢箱梁安装中应用，从 实施效果来看，支架横梁的挠度、钢柱的水平位移、 支架体系的沉降等均满足规范要求，系统整体稳定 性良好，其正确性和合理性得到验证。 图５柱脚节点构造 参考文献 ［１］ＧＢ ５０００９—２００１建筑结构荷载规范［ｓ］． ［２］ＧＢ ５００１１—２００１建筑抗震设计规范Ｉｓ］． ４ 结 语 ［３］ＧＢ ５００１７—２００３钢结构设计规范［ｓ］． ［４］ 田李梅，刘振华，余贞江，等．某大跨度钢管桁架风雨棚结构设 计口］．钢结构，２００８，２３（６）：１８—２０． ｆ５］ 田海明，王永岗，崔建华，等．某重型钢结构厂房设计与分析 １）钢箱梁临时支架的设计应采用比较合理的结 构体系，既要考虑结构的整体稳定性，又要考虑制 作、安装方便的要求。本结构中格构柱断面为正方 形，保证了杆件的通用性，水平及竖直方向均有角 ［Ｊ］．钢结构，２００９，２４（１１）：４０—４３． （上接第３０页） ５ 结 语 拉管两个侧面都有较大面积进入了塑性状态，主管 也有局部进入塑性状态，但范围很小。 １）倒三角形方钢管立体桁架的受力特性较合理， 支座的合理设计能有效改善整体结构的受力特性。 ２）下弦杆旋转４５。放置的方钢管ＫＫ节点承载 能力主要受支管承载力控制，桁架设计时，支管应力 此小于主管应力比，可使桁架达到整体极限强度时 节点仍保留足够的承载能力。 ３）对搭接节点，应选择合理的搭接方式以获得 管作为被搭接管的搭接方式。 桁架的整体分析结果显示，桁架腹杆的应力比 大多小于弦杆，这对确保相贯节点安全度来说是合 理的。节点承载力主要受支管承载力控制，桁架设 计时控制支管应力比小于主管应力比，可使桁架达 到极限时节点仍保留足够的承载能力。 限元分析表明，采用拉管作为搭接管、压管作为被搭 接管的节点承载力高于采用压管作为搭接管、拉管 ， 对于搭接节点，存在搭接方式的选择问题。有． 较高的节点承载力，一般应采用拉管作为搭接管、压 作为被搭接管的节点承载力。对于本文节点Ａ而 言，前者的极限承载力比后者约高１０ 。因此，本 参考文献 ［１］ＧＢ ５００１７—２００３钢结构设计规范［ｓ］． ［２］Ｐａｒｋｅｒ Ｊ Ａ，Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎ Ｊ Ｅ，Ｃａｏ Ｊ Ｊ．空心管结构连接设计指 ．工程中搭接节点都采用拉管作为搭接管、压管作为 被搭接管的搭接方式。需要指出的是，因一般情况 下方钢管桁架腹杆截面外轮廓尺寸是相同的，如果 南［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９７． ［３］Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｉｎｃ．ＳＡＰ２０００ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ‘ Ｍａｎｕａｌ［Ｒ￣．Ｂｅｒｋｅｌｅｙ，ＣＡ，ＵＳＡ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， Ｉｎｃ，２００２． ・ 搭接节点的被隐藏焊缝不施焊，将使焊缝长度减少 至少２５ ，甚至超过５０ ，将严重影啊节点的承载 能力，因此方钢管搭接节点的被隐藏焊缝均应施焊。 ［４］ 汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告［Ｍ］．北京：中国 建筑工业出版社，２００８． ［ 温家鹏，丁洁民．２０１０年上海世博会主题馆屋盖结构弹塑性 极限承载力分析［Ｊ］．钢结构，２０１０，２５（４）：１—５． 欢迎订阅《工业建筑 杂志，邮发代号２－８２５ ３４ 钢结构 ２０１０年第１Ｏ期第２５卷总第１３８期
