某屋蓋鋼桁架結構分析與設計探究

賽福鼎·乃吉木

摘 要：隨著技術的進步和人們審美意識的增強，各種建筑推陳出新，新的設計思路強化了建筑的美感，但同時更要注意穩定性，建筑結構是建筑的基礎，需要通過良好的技術進行構建，只有滿足了設計標準規范、迎合了社會主流審美潮流的建筑也是完美的，為了確保建筑結構符合要求，則需要全面進行建筑結構技術研究，以此確保建筑穩定安全，實現功能展現。文章主要介紹了某屋蓋鋼桁架結構體系、分析條件、相關計算結果及支座節點的設計思路，通過整體模型與鋼結構單一模型分析結果做全面對比，確保整體模型所得結果更加符合實際工程需要，從根本上推動技術創新、結構創新，提升建筑品質。

關鍵詞：桁架；結構設計；合理性

1 工程概況

就某建筑工程為例，整體采取鋼桁架屋蓋與混凝土框架結構設計，建筑的組合結構形式（如圖1）。圖中所示，中間呈現四坡鋼結構屋面形狀，平面投影尺寸設計標準是110m×44m。建筑最高點設計標高是14.000m，兩側采取單層混凝土框架結構設計，柱網是7.5m×9.0m，混凝土梁頂標高設計是11.000m。

2 屋蓋結構體系

屋蓋結構體系非常重要，其設計是否科學關系到建筑的穩定性，那么在進行設計時，需要根據科學的預算做好結構設計與布局。根據建筑物的功能，并且按照設計四坡屋面造型的需要，進一步確定混凝土柱整體布局結構，主體結構為平面鋼桁架形式，設計桁架跨度為37.5m，各間距為9m，同時在框架四周各懸挑出3m的標高。桁架中間設計標準厚度是2.0m，端部支座的部位設計厚度削減到0，整個懸挑屋檐使用單根方管排列組合，強化建筑強度。建筑的鋼屋蓋部分設計平面尺寸是72m×37.5m，同時鋪設混凝土柱柱網標準是9.0m×37.5m。

3 分析條件

按照建筑結構設計情況，對各部位科學性進行系統分析，要對幾項大的指標體系進行檢驗，確保其合理因素。

（1）幾何邊界條件。混凝土框架結構和桁架上下弦桿設計較為關鍵，主要受力部位集中到梁單元，而桁架腹桿、水平支撐及系桿主要通過軸力單元來呈現。鋼結構利用小短鋼柱和混凝土柱頂形成一定力量的鉸接，屋蓋檁條部分是簡支梁形式，這樣能夠使受力更加均衡。主桁架選擇硬度較高的材質，主要是Q345B材料。上下弦桿非常重要，起到支撐作用，主要使用了Φ299mm×12，腹桿是Φ140mm×6的規格；次桁架上下弦桿承受一定重力，主要使用Φ180mm×8，腹桿Φ95mm×5的規格。

（2）荷載作用。結構設計是確保建筑穩定的前提，設計是否合理，直接影響建筑使用功能發揮，那么在進行設計時，重點考慮了結構自重、屋面活載、屋面恒載、屋面雪載、風荷載、溫度作用及地震作用等不同的影響因素，只有全面考慮周到，才能實現建筑結構的科學合理性。在進行設計時，具體數據如下：一是結構自重設計，主要取決于計算程序過程，能夠達到自動計入的目標；二是屋面情況。活載控制到0.5kN/m2、恒載控制到0.80kN/m2，可以選擇設計到采光天窗處1.50kN/m2；三是基本雪壓按50a重現期標準，要控制到S0=0.10kN/m2，可以單獨做好設計，和活載量分開計算；四是基本風壓要看地面粗糙度，如果是B類，則風壓高度變化系數要由規范取值，按50a重現期計算，保持到W0=0.50kN/m2，溫度作用±30℃；五是抗震設防烈度整體取7度，基本加速度取值是0.10g。

（3）荷載組合。荷載量直接影響建筑的承重力，要在設計時全面考慮到內力情況，內力基本組合表現職下：1.0恒+1.4風；1.2恒+1.4活+0.84風；1.2恒+1.4活+1.0溫；1.0恒+1.4風+1.0溫；1.2恒+1.4風+0.98活；1.2恒+1.4活。

4 同設計參數不同模型主要計算結果

（1）撓度對比。建筑的恒載+活載是必不可少的參數，整體模型撓度比單一模型要大許多，大體為122.5%左右。整體標準組合起到綜合作用，在這種作用下，需要全面考慮到整體模型桁架最大撓度，設計標準是89mm，撓跨比設計為89/37500=1/421。如果是單一模型，那么，桁架最大撓度設計是40mm，撓跨比是40/37500=1/937。

（2）自振周期對比。鋼結構模型呈現單一形式，那么，整個結構自振周期則需要通過局部振動實現，保持密集的陣型，確保穩定性。組合結構模型結構，自振周期則需要考慮均整體平動或扭動的情況，所以說，單一模型剛度大于整體模型剛度。

（3）鋼支座反力對比。計算屋蓋桁架中間跨取值時，要對不同的部位進行計算，形成整體模型與單一模型鋼支座反力結果，按計算得到的結果顯示，兩個模型所產生的豎向反力沒有較大的差別，整體不受影響，兩個模型在地震作用下，所產生的反力非常小，若除去地震作用力，那么單一模型產生的跨度方向支座反力就會增加，比整體模型要高出多倍，比值高達41倍以上，所以，我們在進行混凝土柱設計的時候，一要充分做好荷載作用的取值，只有設計合理，才能實現高品質建設目標，確保建筑穩定性。

5 支座節點

屋蓋桁架通過多種結構支撐，起到穩定作用，小短鋼柱能夠支承混凝土柱柱頂，起著重要的作用，過渡板能夠對鋼結構安裝時出現的誤差進行有效調整，確保建筑結構滿足設計標準。桁架端部厚度減為0，使抗彎剛度不夠，出現了突然的銳減情況，那么，為了保證結構均衡，則需要對桁架抗彎剛度做好加強設計，實際操作時，可能通過支座對上下弦桿間焊接鋼板來解決，小短鋼柱連接過渡板與鋼結構預埋件，形成良好的焊接，保證結構協調穩固。

6 整體模型線彈性屈曲分析

在不考慮幾何與材料非線性影響因素的情況下，屋蓋桁架彈性屈曲表現如下：第一階屈曲模態是屋蓋桁架局部屈曲（見圖2），屈曲臨界荷載系數K=11.2，也就是11.2倍于1.0恒載+1.0活載作用，屋蓋結構如果出現局部屈曲，則證明桁架結構整體剛度良好，滿足設計需要。考慮1.0恒載+1.0活載基礎上，對標準組合工況進行全面考慮。

7 結束語

屋蓋鋼桁架結構關系到整體穩定，需要在設計時全面分析與研究，確保鋼與混凝土組合結構全面合理，可以通過整體計算做好正確的結構分析，實現邊界支座彈性剛度模擬取值科學有效，避免出現結構設計上的計算誤差，解決結構中存在的薄弱點，實現建筑質量的穩步提升。

參考文獻

[1]GB50011-2010.建筑抗震設計規范[S].

[2]GB50010-2010.混凝土結構設計規范[S].