120 m跨钢管拱桁架结构设计

李晓宏，杜雷鸣

（1.太原高铁置地有限公司，山西 太原 030002； 2.山西工程职业技术学院，山西 太原 030009）

120 m跨钢管拱桁架结构设计

李晓宏1，杜雷鸣2

（1.太原高铁置地有限公司，山西 太原 030002； 2.山西工程职业技术学院，山西 太原 030009）

针对某仓库大跨度拱桁架结构的设计工程，采用sap2000通用有限元软件进行静力分析和构件验算。通过验算表明：该120 m跨，矢跨比为0.25的五心圆钢管拱桁架结构各杆件应力比均小于1.0，承载力满足规范要求；节点最大竖向位移为-196.1 mm，是跨度的1/612，刚度满足规范要求。此钢管拱桁架结构竖向刚度大，受力合理，造型美观，能够满足各种大跨空间结构建筑的要求。

仓库 大跨度钢管拱桁架 钢结构工程

大跨度钢管拱桁架结构造型美观，使用空间大，竖向刚度，经济性好，可以满足各类储煤棚、仓库、体育馆、展览中心等大跨度结构的要求，近年来得到了越来越广泛的应用。

某拱桁架结构仓库采用五心圆直接落地圆弧拱桁架，跨度120 m，标准榀之间布置间距为12 m，共10榀，总长度108 m。单榀拱桁架矢跨比为0.25，采用倒三角形截面形式，截面高4.2 m，宽4.2 m。该拱桁架由五部分圆弧相切连接，其中上弦两边1—2网格为竖向，两边第3—7网格圆的曲率半径为12.3 m，中间24个网格圆的曲率半径为163.2 m，计算模型如图1所示（图中黑点为侧向约束点）。上弦杆共分36段，每节杆长4 377 mm，下弦杆共分35段，每节杆长4 264 mm。

图1 单榀钢管拱桁架几何模型（未标单位为mm）

1 设计荷载与地震作用

根据该结构屋面做法和使用功能，按照《建筑结构荷载规范》［1］和《建筑抗震设计规范》［2］，主要考虑恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载和地震作用。

拱桁架屋面和墙面均采用单层压型钢板，考虑檩条自重，屋面恒载取0.3 kN/m2，结构自重程序自动计算。大跨度不上人屋面活荷载按《建筑结构荷载规范》［1］取值为0.5 kN/m2，风荷载基本风压取为0.4 kN/m2，基本雪压为0.35 kN/m2。根据《建筑抗震设计规范》［2］，建设场地抗震设防烈度为8度，地震加速度为0.2g，地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，地震反应谱特征周期为0.45s，罕遇地震下特征周期为0.50s，多遇地震下水平地震影响系数最大值为0.16，罕遇地震下水平地震影响系数最大值为0.90，设计阻尼比为0.035，采用振型分解反应谱法计算地震作用。

对于荷载工况组合，根据《建筑结构荷载规范》［1］和《建筑抗震设计规范》［2］考虑主要的荷载组合。

2 结构设计条件

根据《空间网格结构技术规程》［3］规定，对该拱架设置了平面外的稳定支撑体系，标准榀之间每隔三段或四段由次桁架连接，防止结构平面外失稳。取单榀拱桁架进行分析计算，两边支座为铰结。采用钢结构设计软件SAP2000对跨度为120 m、矢跨比为0.25的钢管拱桁架结构进行设计，为便于计算分析，设计时将每三段或四段杆件分为一组，一组截面选用同一种截面形式，且关于跨中截面呈对称分布，上弦杆、下弦杆、竖向腹杆、水平腹杆、水平撑杆各分为5组。结构总用钢量为43.1 t，每平米用钢量29.9 kg。拱桁架钢管均采用Q235B级钢，所选用钢管截面如下页表1所示。

3 静力计算结果分析

3.1 结构设计应力比

经过计算分析，下页表2列出了结构部分杆件的应力比，最大应力比对应荷载工况组合均为1.2恒+1.4活。

表1 结构设计选用截面型号表

表2 部分杆件应力比

由表2可知，各杆件应力均由组合“1.2恒+1.4活”控制，说明地震作用参与组合对结构不起主要控制作用。上弦杆、下弦杆应力比相对都比较大，说明上、下弦杆主要由强度控制；竖向腹杆左右两边距支座处1/4范围内杆件应力较大，由强度控制，跨中1/2范围内杆件应力比较小，由长细比控制；其他杆件应力比均比较小，由长细比控制。可见所有杆件应力比均小于1.0，结构设计承载力满足规范要求。

3.2 节点位移

经过计算分析，列出了如表3所示的部分节点竖向位移，最大位移对应荷载工况组合均为1.0恒+1.0活。

表3 部分节点竖向位移 mm

从表3中可以看出，在标准组合作用下结构最大节点竖向位移为-196.1 mm，约为跨度的1/612，小于《建筑抗震设计规范》［2］中规定的限值1/250，结构刚度满足规范要求。

4 结论

1）该120 m跨，矢跨比为0.25的五心圆钢管拱桁架结构各杆件应力比均小于1.0，承载力满足规范要求。

2）节点最大竖向位移为-196.1 mm，是跨度的1/612，刚度满足规范要求。

3）钢管拱桁架结构竖向刚度大，受力合理，造型美观，能够满足各种大跨空间结构建筑的要求。

［1］ 中华人民共和国国家标准.建筑结构荷载规范：GB 50009—2012［S］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［2］ 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范：GB 50011—2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［3］ 中华人民共和国国家标准.空间网格结构技术规程：JGJ 7—2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

（编辑：胡玉香）

120 m Steel Arch Truss Structure Design

Li Xiaohong1，Du Leiming2
（1.Taiyuan High-speed Rail Land Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030002；2.Shanxi Engineering Vocational College，Taiyuan Shanxi 030009）

As to the project engineering of a warehouse with long-span arch truss structure，this paper conducts static analysis and component calculation by using general finite element software sap2000.The calculation shows that the stress ratio of five heart round steel arch truss structure with 120 m span and 0.25 rise-span ratio is less than 1.0.The bearing capacity meets the specification requirements.The maximum vertical displacement is-196.1 mm，it is 1/612 of the span，the stiffness of which meets the specification requirements.The steel arch truss structure has vertical stiffness and reasonable stress with elegant shape，which can meet the requirements of all kinds of large-span space structures.

warehouse，large span steel arch truss，steel structure engineering

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2015.06.24

TU208.5

A

1672-1152（2015）06-0067-02

2015-11-19

李晓宏（1980—），男，主要从事建筑工程管理工作，工程师。E-mail:13834528429@163.com