钢桁架结构的设计分析

杨永刚　郑海伟

(1.中海油石化工程有限公司，山东 济南　250101；　2.山东英才学院，山东 济南　250104)

1　钢桁架结构介绍

目前，钢结构主要的结构形式有刚架、框架、桁架、网架、悬索等。

桁架结构是只受节点荷载作用的等直杆的理想铰接体系，根据外形分为平行弦、折弦、三角形桁架，根据桁架几何组成分为简单、联合、复杂桁架，按所受水平推力分为无推力的梁式桁架和有推力的拱式桁架。桁架构件只承受轴向拉力或压力，能充分利用材料的强度。在保证刚度的前提下，一定程度上能减轻自重，具有一定的经济效益。

桁架在钢结构中的应用较为广泛，与实腹式钢梁相比，钢桁架的特点是以弦杆、腹杆分别代替翼缘、腹板，整体受弯时的弯矩表现为上、下弦杆的轴心受压和受拉，剪力则表现为各腹杆的轴心受压或受拉。普通钢桁架一般采用单腹式杆件，通常是双角钢组成的T形截面，有时也用十字形、槽形、圆管、方管等截面，构造简单，最为常用。腹杆体系通常采用人字式、单斜式等形式。人字式的腹杆、节点数量较少，实际工程中被普遍应用。考虑到上部荷载的布置情况，为减少受压弦杆的节间尺寸,通常增加部分竖杆，使整个桁架的布置更加经济、合理。

钢桁架的高度由经济、刚度、使用等要求确定，对于大多数工业类项目，桁架高度首先要满足工艺流程、管线铺设、操作检修等方面的需要，由主导专业确定净空要求。尤其对于两层及以上的钢桁架结构，层间净空是设计人员必须要考虑的前提因素。

2　钢管桁架特点及设计

钢管结构主要指的是由圆管、矩形管、方钢管制作加工而形成的一种结构，钢管桁架结构按杆件的截面可以分为圆钢管桁架和矩形钢管桁架。近年来此种形式的桁架结构发展较快，应用范围越来越广。桁架的弦杆、腹杆可以全部采用钢管，也可以弦杆采用传统的热轧H形截面，而腹杆采用钢管与其有效连接的组合形式。

2.1　与传统的开口截面相比，钢管桁架有以下特点

钢管的管壁较薄，几何特性好，截面回转半径较大。剪心、形心重合，抗扭性能好，抗弯刚度较大，结构稳定性好。节点形式简单，节省材料。施工简单，速度快、节省施工工期。钢管和大气接触表面积小，有利于防锈，维护更为方便，其内部不易生锈。另外，钢管桁架结构整体性能好，制作、安装、起吊都比较容易。

2.2　钢管桁架的设计

钢管桁架结构首先要进行荷载作用下的位移、内力计算，在杆件截面及节点设计中，应按作用基本组合的效应确定内力设计值。然后进行杆件截面设计，确定弦杆、腹杆的截面尺寸。若杆件截面不合理，需要调整进行重新设计，使其满足设计要求。

外荷载可按静力等效原则将节点所辖区域内的荷载集中作用在该节点上。当杆件上作用有局部荷载时，应另行考虑局部弯曲应力的影响。虽然钢管的结构稳定性好，但桁架整体的侧向稳定需要有效保证。对于较多工业项目，常利用两榀桁架之间的横担作为侧向支撑点。横担根据上部荷载点的位置进行布置，使桁架承受节点荷载，避免弦杆产生弯曲应力，造成不利影响。

3　工程实例分析

某炼油化工项目中一装置的跨路管廊，共有3层，跨度16 m，宽度6 m，1层高度5 m，2层和3层分别为2.5 m，设计采用人字形平行弦钢桁架结构，管道荷载为：1层，2层节点荷载30 kN，3层节点荷载45 kN。现采用不同的截面形式，对两种方案进行分析比较。使用结构设计软件PKPM 3.2版进行计算分析。

3.1　第一种方案

桁架上弦和下弦采用热轧宽翼缘H型钢，斜杆、竖杆均采用角钢组合，满足设计要求的构件布置详见图1，节点位移详见图2。

3.2　第二种方案

桁架上弦和下弦均采用方钢管截面，满足设计要求的构件布置详见图3，节点位移详见图4。

3.3　两种方案的分析比较

通过两种方案的构件截面尺寸、数量，对用钢量和节点位移进行比较，详见表1。

表1　两种方案比较列表

从两种方案的对比分析可以看出，在此跨度和荷载情况下，对于相同结构形式的钢桁架，采用方钢管截面比常规的H型钢和角钢截面用钢量较小，有一定的经济性优势，最大节点位移相差不大，设计时应优先考虑。

4　结语

方钢管桁架整体性能、受力性能好，外表完整、美观，有一定经济性，能有效缩短制作工期，是一种很有前途的结构形式。

方钢管桁架的受力模型应根据节点连接形式及荷载情况综合确定，不能简单地认为是铰接。与一般节点板桁架不同，焊接方钢管桁架的承载能力不仅取决于杆件的承载力，还取决于节点连接强度。而节点强度依赖焊缝强度，并取决于节点的连接方式和连接杆件的几何参数。因此节点设计比较关键，对于节点施工质量的要求比较高。