鋁礦堆取料場防雨棚門式管桁結構設計

陳勁松 趙 翔

(1.沈陽鋁鎂設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110001;2.江蘇省財政廳，江蘇 南京 210001)

1 工程概況

某公司一鋁礦堆取料場，需建一防雨棚，主體結構橫向跨度55 m，縱向總長324 m，建筑面積達17 820 m2。廠房檐口標高約16.100 m，屋脊標高約23.975 m，開敞式，屋面采用壓型鋼板。經過技術方案比較，確定采用門式空間管桁結構，每榀間距9 m;因縱向長度超長，設置伸縮縫將結構平面分成兩部分。工程竣工圖見圖1。

圖1 竣工圖

2 結構設計

2.1 管桁結構

承重管桁結構外形類似門式剛架，梁、柱均采用變截面三角形空間鋼管桁架結構。梁桁架由上部的單根鋼管及下部的兩根鋼管分別形成上、下弦桿，柱桁架由外側的單根鋼管及內側的兩根鋼管分別形成內、外弦桿，結構是梁、柱弦桿貫通、腹桿與弦桿間采用相貫節點連接起來的空間結構。屋面梁桁架由兩種坡度組成，在桁架的1/4跨度形成一拐點，坡度分別為i=0.4和i=0.15。桁架柱腳與基礎通過錨栓連接。梁桁架截面三角形底邊長0.8 m，端部截面高度約為2.5 m，跨中約為 2.0 m;柱桁架截面三角形底邊長0.8 m，柱底部截面高度約為0.8 m，柱頂部約為2.5 m。鋼管桁架上弦鋼管規格為φ245×8，下弦鋼管規格為2φ180×8，腹桿規格分別為φ102×6，φ83×5(見圖2)。

圖2 門式空間管桁結構

2.2 支撐布置

每榀管桁結構之間由柱間垂直支撐，屋面水平支撐及空間系桿連接，以保持整個結構體系的穩定。柱間及屋面支撐均采用十字交叉式圓鋼管作為支撐，同時在梁桁架的屋脊處、拐點處及檐口部位布置五道通長三角形空間管桁架結構作為剛性系桿，在柱間半高處布置一道通長三角形空間管桁架結構作為剛性系桿，從而使整個結構形成剛度較強的空間幾何不變體系(見圖3)。

圖3 屋面支撐布置示意圖

3 荷載取值及材料

3.1 設計荷載取值及工況組合

1)管桁架的主、支鋼管自重由計算程序自動導算;屋面永久荷載、活荷載及雪荷載均根據GB 50009-2001建筑結構荷載規范的規定取值;屋面積灰荷載0.5 kN/m2。

2)風荷載:基本風壓0.4 kN/m2。地面粗糙度為B類。

3)地震作用，本工程抗震設防烈度為7度(0.15g)，設計地震分組為第一組，Ⅱ類場地土，阻尼比為0.05。

3.2 材料

管桁架受力鋼管:Q345B;鑄鋼件G20Mn5;支撐系統鋼管:Q235B。

4 計算分析

結構計算軟件采用了中國建筑科學研究院PKPM鋼結構軟件按平面桁架建模計算，所有桿件間的連接均為鉸接，管桁架與基礎間定義為鉸接。通過計算出平面桁架內力結果，根據結構力學空間分解出上下弦桿及各腹桿的內力，對主要受力桿件的應力，按鋼材強度設計值的90%控制。以后，又通過STATT.PRO軟件空間建模進行了計算分析及校核，最后得出如前所述各桿件截面。

結構應力計算分析及穩定驗算中主要考慮以下幾種荷載組合工況:1)1.2恒載 +1.4 活載;2)1.2 恒載 +1.4 ×1.0 風載;3)1.2恒載 +1.4 ×0.9 活載 +1.4 ×0.9 風載;4)1.2 恒載 +1.4 ×0.5活載 +1.3×1.0地震荷載;5)1.2恒載。由于結構跨度較大，根據分析結果，可得控制結構應力的最不利荷載工況組合為:1.2恒載 +1.4×0.9 活載 +1.4 ×0.9 風載，而有地震參與的組合不起控制作用。

該管桁結構在工程施工完成后，鋼材用量經過統計，每榀門式鋼管桁架重量16.8 t，總量約635 t，單位面積用鋼量36 kg/m2;支撐系統用鋼總量約142 t，單位面積用鋼量8 kg/m2;防雨棚的結構總用鋼量約為1 087 t，單位面積總用鋼量約64 kg/m2。

5 節點設計

5.1 相貫節點

管桁結構的主管與支管間主要采用相貫焊接，多數的相貫節點是由幾個主支管匯交而形成三維空間薄壁結構，應力分布十分復雜。鋼管節點靜力極限承載力為節點主管壁承受過度局部屈曲變形而造成破壞時，作用在支管端部的最大軸向壓力。節點承載力的設計決定了整個結構體系承載性能，節點的破壞往往導致與之相連的若干桿件的失效，從而使整個結構破壞，所以管桁結構的節點設計非常重要。

本結構管桁上弦節點主要為空間KK形節點，下弦節點為K形節點。設計時根據GB 50017-2003鋼結構設計規范中節點承載力設計公式進行計算。表1舉出梁桁架中兩個起控制作用的節點承載力計算結果，可知支管軸心內設計值均不超過節點承載力設計值，滿足設計要求。

表1 兩個起控制作用的節點承載力計算結果表

5.2 鑄鋼件節點

在管桁架的內側弦桿折拐處節點，由于相交的桿件較多，共有7根管在此相連，為防止焊接應力集中并減少殘余應力的影響，設計中采用鑄鋼件節點。

為了能夠真實地反映出該鑄鋼件節點的受力狀態，利用有限元分析軟件ANSYS，建立了與鋼管相連的鑄鋼件的節點模型(見圖4)。

圖4 鑄鋼件節點有限元模型

鑄鋼件如圖5所示，為準確模擬該構件在荷載作用下的受力和變形狀態，采用塊體單元模擬鑄鋼件連接節點。

圖5 鑄鋼件詳圖

鑄鋼件材質采用G20Mn5鋼，屈服強度設計值300 N/mm2;鋼管采用Q345B鋼，屈服強度設計值310 N/mm2。鑄鋼件節點作為塑性材料，通過按第三、第四強度理論校核其強度，并最終確定鑄鋼件的外形尺寸及壁厚均滿足設計要求。

5.3 柱腳節點

本結構柱腳采用了外露式柱腳(見圖6)，但由于柱腳部位存在較大的水平推力，最不利組合可達近200 kN。在柱腳底部鋼板下對應鋼管處設置了3塊抗剪鍵抵抗水平推力。

圖6 外露式柱腳

6 結語

1)由于本工程管桁結構的跨度、高度較大，經計算分析，風荷載組合對結構起控制作用，地震作用參與的組合不起控制作用，故在7度設防情況下，水平地震作用可以忽略。同時在縱向設置了伸縮縫，本工程忽略溫度作用對結構的影響，僅進行了單榀桁架的平面結構分析。

2)相貫節點和鑄鋼件的設計為一重點，由于節點采用相貫焊接，因此對焊接工藝及加工設備都有一定的要求，焊接中需要控制焊接收縮量，減少殘余應力，焊接質量要求較高。柱腳處節點水平推力的作用是一個不容忽視的問題，應予以高度重視，防止基礎側移破壞。

3)管桁結構節點形式簡單，體現了鋼管結構的輕巧、美觀。并且整體空間結構剛度大，幾何特征好，節省材料，日常使用中也便于防銹及清潔維護。工程已建成使用5年，目前使用情況良好。

[1]GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[2]GB 50009-2001，建筑結構荷載規范[S].

[3]GB 50205-2001，鋼結構工程施工質量驗收規范[S].

[4]GB 50011-2001，建筑抗震設計規范[S].