钢结构二维桁架建模比较

张颖

（南京西普水泥工程集团有限公司，江苏 南京 210000）

1 工程概况

水泥厂因为工艺及场地需要，存在很多大跨度空间结构，如钢桁架。在水泥厂设计中，钢桁架可分为下沉式钢桁架（露天栈桥）、上翻式钢桁架（露天栈桥）、封闭栈桥。本项目桁架形式取自南京西普水泥工程集团有限公司图集，通过杆件部分调整与修改节点连接状态，结合PKPM二维建模进行数据综合比较。

2 桁架组成

本算例采用带式封闭式桁架，桁架由上弦、下弦、腹杆组成，通过横梁将板面载荷传递至弦杆节点。由于杆件本身长细比较大，虽然杆件之间的连接可能出现“固接”，但是实际杆端弯矩一般都很小，因此，设计分析时可简化为“铰接”。简化计算时，杆件都是“二力杆”，承受压力或者拉力。由于桁架跨度较大，而单品桁架“平面外”的刚度比较弱，因此“平面外”需要设置支撑。而本算例只考虑单品桁架作为计算模型。

3 案例一桁架简图与荷载分析

3.1 模型简图

算例取24 m上翻式钢桁架，宽3 m，高2.5 m，钢材、型钢、钢板及普通螺栓采用Q235-B钢，焊条采用E43，布置详见图1。

图1 桁架立面图谱

3.2 荷载分析

走道面均布荷载标准值：恒载1.0 kN/m2、活荷载2.5 kN/m2，胶带机每隔3 m一对支腿，每对支腿恒载5.5 kN。

3.3 结构受力分析

以下简单对比三个桁架模型，第一个采用底部刚接的短柱，第二个采用两端铰接的短柱，第三个采用左侧两端铰接的短柱、右侧一端柱顶铰接柱底刚接且设置滑动支座的形式。短柱为同样材料的钢材，且建模中所有节点上的附加载荷均一致，对三种状态的轴力包络图及节点位移图进行比较。

桁架支座杆底刚接情况下轴力包括图与节点位移图见图2、3。

图2 轴力包络图谱（单位：kN）

桁架支座两端铰接情况下轴力包括图与节点位移图见图4、5。

图4 轴力包络图谱（单位：kN）

桁架左侧支座杆两端铰接的短柱、右侧支座杆上端铰接下端滑动情况下轴力包括图与节点位移图见图6、7。

图6 轴力包络图谱（单位：kN）

从轴力包络图可知，图4与图6所产生的桁架跨中内力图相似，下弦杆达到254 kN。而采用支座杆底刚接时，桁架轴向变形受到约束，轴力也相对较小，跨中只有88 kN，且由于支座的强约束，与支座相连的下弦杆得不到释放，在靠近支座的下弦杆两跨中出现了轴压力。

从节点位移图可知，图3与图5所产生的节点位移相似，但位移数据显然图5较大。而图3与图7相比，跨中最大竖向位移均为16.2 mm，但图7跨中还存在水平位移，使得总位移量图7大于图5。且规范中有明确要求对于露天钢结构，纵向温度区段超过120 m应设伸缩缝。而桁架结构通过下铰上滑/滚的结构形式来表明伸缩缝的设置。所以按图7情况设置桁架节点来保证结构的安全性，同时也更符合结构形式。

图3 恒载+活载（标准植）节点位移图谱（单位：mm）

图5 恒载+活载（标准值）节点位移图谱（单位：mm）

图7 恒载+活载（标准值）节点位移图谱（单位：mm）

4 案例二桁架简图与荷载分析

4.1 模型简图

算例取24 m封闭式钢桁架，宽3 m，高2.5 m，钢材、型钢、钢板及普通螺栓采用Q235-B钢，焊条采用E43，布置详见图8。

图8 桁架立面图谱

4.2 荷载分析

屋面均布荷载标准值:恒载0.3 kN/m2，活荷载1.0 kN/m2，积灰荷载0.5 kN/m2。

走道面均布荷载标准值：恒载1.0 kN/m2，胶带机活荷载2.5 kN/m2，每隔3 m一对支腿，每对支腿恒载5.5 kN。

墙面板荷载标准值：恒载0.3 kN/m2。

4.3 结构受力分析

上下弦杆件只在桁架全长两端做铰接节点，中间不断开不设铰，立杆柱同样如此。

当上弦截面刚度较大时，即使节点产生较小的转角，也会形成较大的次弯矩。此时如果弦杆端部依然采用铰接方式，就会丢失杆端的弯矩。由于桁架杆件一般为压弯杆件，如果丢失弯矩项，就会产生安全隐患。从实际桁架施工图会发现，当上下弦杆为H形或箱形等截面时，弦杆需保持刚接连续，这种设置铰接点的方式与实际情况更接近。

5 结论

（1）对于短跨桁架，一般可采用立柱底两端铰接的形式来保证跨中弦杆产生最大拉力，使模型最接近实际情况。而对于跨度较长的桁架或存在多跨的长输送，水平推力也随之增大，对于桁架的支座来说，这是非常危险的。柱底一端铰接一端滑动的支座形式可以很好的释放掉水平变形，也能使部分节点出现最大的位移变形。

（2）在平时的设计中，如果无法确定节点次弯矩的影响，可按偏安全的刚接来处理。因为如果杆件本身线刚度比较小的话，考虑刚接产生的次弯矩也会小到可以忽略；而对于线刚度较大的构件，只有按刚接考虑时，才能保证构件验算的正确性。