大跨度空间桁架的计算分析

回锋

摘要：本文从工程实例出发，对大跨度空间桁架进行分析，从结构方案的选型、结构整体稳定分析和关键节点的细部处理三个方面进行研究。本文利 用 Midas Gen 有限元软件，分析结构整体稳定性并改善结构的整体稳定安全储备;配合 MidasFea 完美解决了复杂节点分析的问题。

关键词：大跨度空间桁架;结构选型;整体稳定;关键节点

1.工程概况

该项目为沈阳某文创中心，原使用功能为味精厂原料库，重建后为保 留原建筑历史风貌，屋面采用多跨连续双坡屋面，并保留三角形屋架的历 史特征（图 1）。本工程地上一层框架， 局部一层地下室， 屋面采用钢结构 加轻质屋面板（GRC）。建筑方案要求中庭采用下沉式大开敞多功能厅， 长 36 米宽 33 米，接近平面矩形，其中多功能厅上方 33 米跨方向为三跨双坡 屋面，纵向跨度 36 米;除中庭以外其他部分均由 11 米跨度三角钢桁架组 成。

2.屋面钢桁架桁架方案比选

中庭 36mx33m 处为三跨连续双坡屋面， 由于 33m 跨度方向存在两个双 坡屋面的最低点，不适合作为主受力方向。因此主受力方向定为 36m 跨度 方向。初步设计阶段，结构采用两种桁架形式进行比选试算。方案一，利 用三角形屋面屋脊最高点作为桁架的最高点，形成单榀管桁架，增加桁架 的高度，从而节省用钢量。但由于三跨连续坡屋面在阴脊处不断开会造成 33m 跨连续，形成短向受力较大，并且在两个三分之一处有最不利点，因 此最终决定在屋面阴脊处断开。断开后单榀桁架平面外支撑无法保证，尤 其是两个边榀，左右刚度相差较大， 会造成桁架的平面外失稳。方案二， 采用倒三角管桁架，不能利用三角形双坡屋面的屋脊最高點，但自身稳定性较好。因此最终选取方案二作为最终结构设计方案。

3.结构整体稳定分析

本节对上述方案二进行考虑初始几何缺陷的特征值屈曲分析，采用Midas Gen 有限元软件，其中整体初始几何缺陷模式可按最低阶整体屈曲模 态采用，最大缺陷值可取跨度的 1/300。方案初始阶段，倒三角桁架双上弦 杆之间仅有水平连接杆，并无斜向连接杆，屈曲分析安全系数 K 为 4.5，略 大于《空间网格技术规程》JGJ7-2010 中要求 4.2，偏于不安全。通过对应 模态（图 2）可以看出此时主桁架发生整体失稳，说明主桁架整体抗扭刚 度不足，分析后在桁架两上弦之间增设斜向杆件，使桁架上弦在平面外形 成稳定桁架体系，保证了主桁架的整体稳定。有效的提高了结构屈曲分析的安全系数，调整后 K 值为 23.768，远大于 4.2，结构偏于安全。

4.节点有限元分析

本节采用 Midas Gen 整体建模，截取模型局部导入 Midas Fea，对细部 节点进行实体建模、切割、网格划分等，再回导入到 Midas Gen 整体模型中 进行整体计算分析，通过图 3 结果可知，最大应力集中在下弦钢管的下侧，此处为钢梁接连部位，最大应力为 275MPa，应力比在 0.9 左右。为保证结 构的安全性，结构计算时将桁架上、下弦杆在节点处均按铰接进行复核，此时最大应力比在 0.75 左右，此种情况为桁架上、下弦杆在节点处形成塑 性铰，由于桁架上、下弦杆满足《钢结构设计标准》中 S1 级截面标准，即 使全截面进入塑性，承载能力仍不降低。因此即使按照刚接计算应力比大 于 1.0，仍可满足结构安全性。

5.结语

本文结合工程实例，通过对大跨度复杂空间桁架的稳定分析，提出了 一种解决桁架整体稳定的方法。并给出了一种解决复杂节点的设计方法，为类似的设计提供思路。

参考文献：

[1]北京迈达斯技术有限公司 MIDAS/GEN 用户手册[M].北京：2021.

[2]JGJ7-2010 空间网格结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]GB50017-2017 钢结构设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.