桁架設計一般方法和誤區(qū)探討

劉光偉 卿展波 張興清

1 介紹

鋼結構在最近的十年當中得到了廣泛應用。桁架結構作為鋼結構中很重要的一種結構形式，大量的被運用到實踐中。桁架是由軸心受力構件(拉桿和壓桿)組成的格構式構件，按照截面形式桁架分為平面桁架和空間桁架，而平面桁架和空間桁架通過縱橫方向的可靠連接(如系桿、支撐或此桁架等)組成桁架系統(tǒng)(桁架結構)，用以承受豎向荷載和跨越較大的空間。工程結構中，桁架普遍被用于體育場展覽館這樣的公用建筑的屋面，也被用于需要承受較大的吊掛荷載的廠房結構。

筆者近年來接觸了較多的桁架設計，對于設計及施工過程中出現(xiàn)的問題進行了深入的思考，本文將就桁架設計及施工安裝的一些問題進行探討。

2 桁架的分類

桁架作為構件有多種分類方式。按照截面形式可分為空間桁架和平面桁架;按照外形可分為人字式、芬克式、梭形、梯形等;按照材料截面形式可分為管桁架、型鋼桁架等等。當作為構件的桁架相互連接，組成整體結構承受荷載，此時稱為桁架結構。桁架結構按照桁架連接方式又有多種分類，常見的形式有主—次桁架形式，這種結構形式是由主桁架承擔所有的豎向荷載，而主桁架之間由次桁架連接以保證主桁架的平面外穩(wěn)定性和屋面的整體性;縱橫桁架形式，這種結構形式中兩個方向的桁架共同承受豎向荷載，縱橫桁架類似于井字梁一樣互為支撐，縱橫方向的剛度相差不大。

主—次桁架的特點是傳力途徑明確，可以按照單榀桁架單獨設計，在實際工程中比較普遍?？v橫桁架的特點是平面內(nèi)外的剛度都比較大，因此可以承受更大的豎向、水平荷載，因此多用于荷載較大的廠房結構中。

圖1為某學校體育館屋面，縱向長度為45 m，跨度30 m。因采用上人混凝土屋面，恒活荷載都比較大，故選用空間管桁架形式。30 m跨度方向設置主桁架，為了保證主桁架的平面外穩(wěn)定，次桁架也選用空間管桁架形式。次桁架只起連接和支撐主桁架作用，不承受豎向荷載。圖2為某動力廠房結構(圖2為整體結構的一部分)，整體結構為全鋼結構，由于動力及暖通設備的要求，屋面將承受0.5 t～1.5 t的吊掛荷載或者吊車荷載，因此屋面選用縱橫桁架體系，為了保證較大的剛度和承載力，構件截面選用H型鋼。

3 設計方法、誤區(qū)和施工順序

3.1 主—次桁架的設計方法、誤區(qū)探討

對于類似如圖1所示的主次桁架結構，由于主桁架承受了所有的豎向荷載，次桁架只起聯(lián)系支撐作用，其傳力途徑類似普通門式鋼架廠房形式，因此建模時可以采用單榀建模的方法，估算單榀桁架承擔的荷載，施加到桁架節(jié)點上。次桁架則可根據(jù)主桁架的平面外計算長度要求構造設置。

本工程由于其建筑公用比較重要，荷載比較大，因此仍然采用三維建模方式以更準確的模擬實際結構性能。而對于類似于如圖2所示的縱橫桁架結構體系，則必須建立整體模型以準確反映其荷載分布及內(nèi)力分布情況。

對于如圖1所示的工程，桁架支撐于混凝土柱之上，桁架的支座設計成為設計中需要注意的關鍵問題。筆者查閱了許多圖紙資料，發(fā)現(xiàn)許多設計人員都未對桁架支座進行合理設計。

這種疏忽體現(xiàn)在兩個方面:

1)結構模型中的支座約束與實際支座構造不符。

2)沒有考慮實際工程支座變形后的應力重分布。

圖3是三種不同支座約束下桁架建模的方法，下面分析各種模型的設計方法和設計誤區(qū):

1)理想設計方法。如圖3a)所示的模型是精確的設計方法，結構工程師根據(jù)下部柱子的剛度作為設計桁架支座的剛度K，在建模階段就依實際的剛度進行準確計算。然而這種理想的設計方法在大多數(shù)設計實踐中都不可行。直接原因是，大部分的設計人員都是將下部混凝土與上部鋼結構屋面結構分別單獨建模的。這樣一來上部的屋面桁架需要預先知道下部的混凝土柱的抗側能力以便在建模時輸入支座剛度，而下部混凝土柱子又需要預先確定上部桁架結構支座反力以確定柱子的抗側能力。這樣便形成了一個設計的悖論。

而且需要注意的是當桁架跨度較大、上部荷載也較大時，往往對下部混凝土柱產(chǎn)生很大的水平推力，而這個水平推力需要支座可靠的連接傳到混凝土柱子上，而一般支座與混凝土柱的抗剪能力都是通過支座底部的抗剪鍵提供的，當水平力很大時抗剪鍵(角鋼或槽鋼)難以提供足夠的抗剪能力。

2)被誤用的設計模型。如圖3b)所示，設計人員將桁架兩端的支座全部固定，由于這樣計算出來的支座水平反力最大，對于設計支座和下部混凝土柱比較安全，因此設計師誤以為這樣的設計桁架結構是偏于安全的。然而，這樣設計忽略了很重要的一個因素——結構由于支座變形的應力重分布。

因為如圖3b)所示的模型是有一個多余約束的超靜定結構，超靜定結構在支座發(fā)生變形時，結構內(nèi)力會發(fā)生重分布，因此這個模型對支座變形非常敏感。實際工程中柱子會在水平推力的作用下發(fā)生側移，而且支座的抗剪鍵也會在水平力作用下發(fā)生變形(造成這點的原因是設計師往往只考慮到抗剪鍵的強度要求，而沒有考慮其剛度是否滿足要求)，這兩者的變形會使得桁架內(nèi)部桿件發(fā)生應力重分布，內(nèi)力重分布的最直接影響是部分桿件承受的軸力變大，使得實際情況和設計狀態(tài)不符。倘若設計人員沒有意識到這點，在設計時桿件的承載力用的比較足，那么在實際情況下應力重分布后部分桿件將承受超出自身承載力的荷載，此時將導致這部分桿件屈服或者屈曲，這是重要的安全隱患，關于這點將在下文提及。

3)合理的設計方法。如圖3c)所示的模型，一端支座鉸接，一端滑動鉸接。這樣設計的好處是水平反力為零，因此支座的抗剪能力只要滿足構造要求即可，而且結構本身為靜定結構，支座的變形不會引起應力重分布。

只要設計時將支座設計成一定范圍內(nèi)的可滑動支座，那么設計和實際工程的受力狀態(tài)是比較吻合的，而且可滑動支座具有比較好的抗震性能。這種支座設計的缺點是可能會導致局部桿件受力較大，從而桿件的截面比較大。

下面依據(jù)如圖1所示實際工程，對如圖3b)，圖3c)所示的建模方式進行分析。圖4為本工程單榀桁架的側立面圖，桁架截面為三角形截面。每個上弦節(jié)點承受60 kN的集中恒荷載，承受5 kN的集中活荷載，為了方便取組合為1.35恒+1.4×0.7活。

當按照如圖3b)所示的支座方式建模時，結構的軸力圖見圖5a)，由圖5可以看出，由于兩端制作被滑動固定，所以下弦兩端端桿承受很大的壓力(1 380 kN)，而中部下弦桿承受的卻是拉力作用(839 kN)。下面我們假設極端情況，假設由于施工偏差或支座剛度不足，圖3b)支座產(chǎn)生滑移，滑移的結果是支座反力被釋放，釋放成如圖3c)所示的結構。而圖3c)結構的軸力圖如圖5b)所示，此時下弦桿全部收拉最大拉力為2 219 kN?？梢姡舭凑赵O計過程中下弦桿承受的最大壓力1 380 kN設計下弦桿(假設承載力由強度而非穩(wěn)定性控制)，那么實際工程中出現(xiàn)的最大內(nèi)力很可能超出設計值許多(極端地為2 219 kN)。此時設計就偏不安全了。

因此筆者建議，如果設計師不能按照精確的建模方式確定支座彈性剛度建模，那么最好采用如圖3c)所示的模型建模計算。這樣只需在支座處開孔留出一定的支座滑移量即可。如圖6所示的支座節(jié)點可供參考。

3.2 縱橫桁架的設計要點

對于縱橫桁架體系由于其受力特點，必須采用整體建模整體分析。對于如圖2所示工程，由于為全鋼結構，因此梁柱節(jié)點的選用比較關鍵。本工程選取了抗震性能較好的半剛性連接節(jié)點，如圖7所示。

3.3 施工順序

桁架結構的施工順序要結合實際工程的計算方法來確定。設計人員需要根據(jù)工程計算特點細致的考慮桁架的施工順序。如圖1所示，由于次桁架不承擔豎向荷載，因此需要先安裝主桁架，然后再將次桁架和主桁架焊接。

還需要注意的是次桁架的支座錨栓需要在屋面系統(tǒng)安裝完畢后再緊固。這樣做的目的是使整體屋面荷載完全傳遞到主桁架之上，此時再將支座固定便不會出現(xiàn)殘余應力，這樣才和設計模型一致。

4 結語

本文根據(jù)實際的工程背景，提出了桁架的分類。闡述了桁架的設計方法，探討了實際工程與建模過程之間的偏差，指出了桁架設計需要注意的問題以及設計師容易忽略的細節(jié)。對比了桁架設計三種不同的建模方式，明確了不同支座約束對于實際的桁架結構計算有至關重要的影響。

筆者建議一般情形可選用第三種制作約束建模，并給出相應的制作節(jié)點詳圖以供設計師參考。本文還對縱橫連接的H型鋼桁架節(jié)點設計提出了方案。

［1］ GB 50017-2003，鋼結構設計規(guī)范［S］.

［2］ GB 50011-2010，建筑抗震設計規(guī)范［S］.

［3］ GJG 7-91，網(wǎng)架結構設計與施工規(guī)程［S］.

［4］ 童根樹.鋼結構的平面內(nèi)穩(wěn)定［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［5］ 陳紹蕃.鋼結構設計原理［M］.北京:科學出版社，2005.