管廊钢桁架的设计

赵潇晗

（华陆工程科技责任有限公司，西安 710065）

1 钢桁架的特点和应用

钢桁架是一种整体以受弯为主、杆件以受轴力为主的结构形式。与梁结构相比，其优点是充分利用材料的强度，在跨度比较大时更节省材料，减轻自重，增大刚度。因此，在工业和民用建筑中，钢桁架得到了广泛应用，如钢结构大跨度屋面、大跨桥梁、钢栈桥、管廊等结构形式。

2 钢桁架的分类

按结构的形式和受力特点，钢桁架主要分为平面桁架和空间桁架2类；按结构的形式和受力特点，钢桁架主要分为平面桁架和空间桁架2类；按杆件内力和节点构造特点，可以分为重型、轻型和普通型桁架。常用的平面桁架外形如图1所示。

图1 常用的平面桁架外形

3 受力分析

3.1 计算假定

做以下假定：（1）假设桁架中所有的节点均为铰接；（2）杆件轴线平直相交于节点中心；（3）荷载作用线通过桁架节点；（4）所有杆件轴线及荷载作用线在同一平面内。

在此假定下，桁架内所有杆件均为二力杆（只受沿杆轴线大小相等、方向相反的两个力的杆），这样的桁架为理想平面桁架。

3.2 结构计算

1）根据平衡理论，节点承受汇交力系作用，逐次建立各节点的投影平衡方程：∑X=0、∑Y=0，可求出所有的未知杆件内力，这种方法称结点法，最适用于简单桁架。求解时可根据平衡理论先判定零杆，并尽可能避免解联立方程，有时只需求少数杆件内力。

2）对于联合桁架和复杂桁架，节点法无法奏效时需用截面法，有选择地截断杆件（一般不超过3根）以桁架的局部为平衡对象，由平衡方程即可求得所需杆件轴力。

3）对于杆件很多的复杂桁架或空间桁架，最好选择电算法。

4 设计实例

4.1 项目概况

万华化学MDI技改项目的丙烷脱硫管廊主项，管廊跨度25 m，柱距6 m，每层荷载20 kN/m，层高2 m。横梁规格为HN300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm。将荷载按恒载∶活载=1∶2的比例计算，输入PKPM模型（考虑到活荷载分项系数为1.4，恒荷载分项系数为1.2，这样更不利）。

4.2 设计思路

4.2.1 外形选择

工程中桁架形式多种多样，为方便管道支撑通常采用平行弦桁架。斜杆向下倾斜时，上弦受压，下弦受拉，竖杆受压，斜杆受拉，受力更合理。

4.2.2 杆件截面选择

截面选择的原则有：钢桁架中拉杆应满足强度和容许长细比的要求，压杆应满足强度、稳定性和容许长细比的要求。并将斜杆倾角控制在40°～50°。另外，为便于制造和施工，在同一桁架平面内杆件种类不宜太多，最好不超过5种。使用PKPM程序计算，对3种桁架截面形式进行对比，结果见表1。

由此得出以下几点：

1）由于杆件均为轴心受力构件，拉杆强度仅与净截面面积有关；压杆强度和净截面面积、稳定系数有关。所以3种桁架形式杆件用钢量的差别不大，在5%以内。管廊弦杆平面内外计算长度相同时，相同截面积下剖分T形钢平面内、外受压性能更好，更经济。

2）根据GB 50017—2017《钢结构设计标准（附条文说明）》[1]3.4.2条，对单面连接的单角钢按轴心受力时，强度设计值应乘以折减系数0.85，计算时PKPM程序已根据相关要求考虑了折减系数。单角钢连接简单，但受力复杂，荷载由弦杆的腹板传递，不经过杆件截面的形心，造成了力的偏心。所以当荷载较大时，腹杆宜选用双角钢或剖分T形钢。

3）宜优先选用肢宽壁薄的截面，使杆件在相同用钢量的情况下具有较大的回转半径和惯性矩。

4）在实际结构中桁架有自重，即使荷载是作用于结点上，在自重的作用下各杆件产生弯曲变形，并不像理想桁架那样只有均布的轴力，故产生的附加内力称为次应力（主要为弯矩）。次应力产生的原因有：因结点刚性而产生的次应力；因各杆的轴线不能完全通过铰心而产生的次应力；因非结点荷载而产生的次应力。

GB 50017—2017《钢结构设计标准（附条文说明）》8.4.5条指出，对用节点板连接的桁架，当杆件为H形、箱形等刚度较大的截面，且在桁架平面内的杆件截面高度h与其几何长度（节点中心间的距离L）之比h/L大于1/10（对弦杆）或1/15（对腹杆）时，应考虑节点刚性所引起的次弯矩。对杆件为单角钢、双角钢或T形截面的桁架结构且为结点荷载时，可忽略次应力的影响。但上述标准中并未指出如何计算次弯矩的效应，所以用H形钢截面做弦杆应尽量遵守标准的规定，优先选择宽翼缘H形钢。

表1 不同截面特性表

5）防腐及防火对钢结构非常重要，剖分T形钢和H形钢在这一点上优势明显。

4.2.3 高跨比

桁架因高度不同对内力的影响较大，因此对不同高度下的桁架性能进行了对比，结果见表2。

由表2可以看出，当管廊高度每增加20%～25%时，相同截面下弦杆承载力可以提高18%～25%，挠度可以减小20%～25%，几乎呈线性增长，而腹杆受力变化在可接受范围内，总体用钢量仅增加1%～4%。所以在设计跨度较大的跨路管廊时可以和上游专业协商，合理增加桁架高度，本项目此部分层高从2 m协商调至2.3 m，使设计更加优化。

4.2.4 节点形式

从节点形式上看，剖分T形钢和单角钢组合桁架节点构造简单，无须节点板，焊缝数量少，施工方便，有明显的经济效益。双角钢桁架和H形钢桁架均需要节点板，制作麻烦，焊接量大。

5 结语

本文通过调整钢桁架高度，对管廊钢桁架进行了优化设计。从桁架的截面选择和节点形式2方面对剖分T形钢、H形钢、双角钢桁架进行比较，认为剖分T形钢作为桁架弦杆可以满足使用要求，受力合理，减少或不用连接板，便于制作和安装。

近年来，剖分T形钢的使用逐渐增多，在一些发达国家已有用剖分T形钢取代双角钢的趋势。我国目前也已经颁布了相应的图集06SG515-2《轻型屋面梯形钢屋架（剖分T形钢弦杆）》。剖分T型钢易于涂漆且其抗腐蚀性能好，可延长其使用寿命且降低造价，综合技术经济效果好，可以在工程中推广。

表2 不同高度下的桁架性能对比表