三角形斷面鋼管空間桁架設計與應用

侯 偉

(中冶南方工程技術有限公司,湖北 武漢 430223)

0 引言

在鋼鐵廠和大中型的石油化工工廠，縱橫交錯的架空管道成為它的象征，因此支承管道的所有支承結構設計的優劣，不僅僅是一個經濟問題，更直接影響到廠容廠貌。所設計的支承結構既能耐久使用、經濟合理又能與架設的管道組合起來顯得美觀大方，是值得不斷革新和探討的問題。

以往這種跨越式桁架的斷面形式，有倒三角形和矩形的，而且大多數都是用小角鋼和鋼筋構成的，也有的采用由角鋼組成的兩個平面矩形斷面桁架等，這些桁架已經使用了多年，但也有一些不足之處：

1)這種桁架的主要材料是小角鋼、小直徑的鋼筋等，由這些鋼材組成的構件抗腐蝕性能很差，在有的腐蝕環境中，這種桁架腐蝕速度很快，使用后不到幾年就會成為搖搖欲墜的形態，而且長期防腐蝕的維護費用也很高。

2)桁架的跨度較小，許多通用圖絕大部分的最大跨度不超過18 m，這樣的跨度有時不能滿足跨越的需要。

3)這種材料做成的桁架外形不甚美觀，再加上桿件多、密集，桿件也不光滑，起不到美化廠容廠貌的作用。

三角形斷面空間鋼管桁架和角鋼組合矩形斷面桁架相比有以下幾個優點：

1)材料全為鋼管，受力合理，抗腐蝕性能和耐久性能好，便于防腐維護，用鋼量少，而且可以采用價格便宜的焊接鋼管。

2)這種鋼管桁架新穎，桿件少，無節點板，表面光滑，美觀大方，美化了廠容廠貌。

3)可以做成比較大的跨度。

4)桁架斷面形式為倒三角形和正三角形兩種，根據管道布置的需要斷面寬度可大可小，管道可以放在桁架上面(倒三角形斷面形式)，也可以布置在三角形內(正三角形斷面形式)。

當管道軸向需要跨越(柱距)不小于9.0 m時，一般要采用不小于9.0 m的跨越桁架，而在9.0 m以下時才適宜采用梁式結構。當管廊是多層管道，其跨越結構采用矩形斷面桁架較合適，當管道較少為單層時采用三角形斷面的空間桁架比較合適。目前鋼鐵廠和化工廠大跨的架空管道大部分都采用的是由角鋼組成的矩形斷面桁架作為承重結構，這樣當管道較少時看上去很不協調。

三角形有正放和倒著放兩種形式，倒著放橫梁在上方，可放的管道較多。這里僅介紹倒三角形鋼管桁架的斷面尺寸是怎么確定出來的以及簡化計算，以及設計中應注意的一些問題。

1 桁架尺寸的確定

1.1 桁架高度的確定

如圖1所示，這種桁架的支座斜桿為下降式，即支點在上弦。桁架高度的確定主要考慮兩個因素：1)根據管道荷載的大小；2)使用對桁架的高度有無限制，如現場道路凈空等因素。一般情況下，高跨比h/L=1/20～1/12。根據工程經驗，實際工程中1/16～1/15是比較經濟的高跨比。有時因使用的要求，高度h受到限制，同時作用荷載也較小，也可取小于1/20。α宜在40 °～60 °之間。桁架高度h確定后，選擇合適的角度α，并考慮管道軸向的支點距(即工藝允許的管道跨距)，就可以定出桁架上弦的節間距s。

桁架的斷面寬度b，主要根據管道的根數及敷設寬度來確定，如果僅采用一根管道時，寬高比b/h可在1/2～1/1.5，對于多根管道(包括有懸掛的管道)，考慮到桁架的整體穩定性以及管道布置的不對稱性，b要適當加大，通常b/h不小于1.5。這種桁架與普通屋架不同，在實際工程中，一般寬度b要比普通屋架的寬度大。在這里要注意的是，若碰到復雜工程，要與管道專業協調，盡量使管道對稱布置，尤其是懸掛的管道更是如此。

1.3 上弦支撐設置

為了承受水平荷載(風荷載和水平地震荷載)，在桁架的上弦之間加上水平的橫向和斜向的桿件構成平面外桁架。φ一般不小于25 °。沿管道軸向要加設支承管道的橫梁，多用槽鋼、工字鋼或H型鋼，而且必須布置在桁架的上弦節點處，它主要承受管道的豎向荷載和軸向的推力(摩擦力)其間距由管道專業提供，但最終要和管道專業商定，使其間距為桁架上弦節間距s的整倍數。支承管道的橫梁橫梁長度一般大于桁架的寬度b，尤其是多根管道時，橫梁的懸伸長度不宜大于500 mm；最外排管道的邊緣至橫梁的端點為200 mm左右。另外對于比較粗而重的管道，要注意盡量放置在(或接近)b/2處。

支承管道的橫梁一般不用平面外桁架的水平橫桿(鋼管)來替代，只是對于管道荷重不大，管道支點矩較小以及無懸掛管道時，才考慮將橫梁和水平橫桿合二為一。

另外，在地震區，在橫梁的兩端要焊接抗震防滑板(采用鋼板或角鋼等)，其高度為100 mm～150 mm，以防地震時管道從橫梁上滑落。

2 桁架的計算

2.1 作用荷載的簡化處理

1)管道的豎向荷載是通過其支點傳給桁架的，在進行桁架內力分析時，桁架的自重等豎向荷載及水平荷載(風荷載和地震荷載)都簡化集中到支點處的節點上，而不是集中到桁架的上弦所有的節點上。

2)作用在桁架上的水平荷載由平面外桁架來承受。一般不考慮其扭轉效應，這是因為，對于正三角形斷面的桁架產生的扭矩很小，可忽略不計；而對于倒三角形斷面產生的扭矩比前者要大些，主要是對桁架采取構造措施來提高抗扭轉能力。

3)三角形斷面桁架，詳細的計算它的風荷載體型系數是很復雜的，而且難以計算準確，在實際工程中常常采用估算，即整體體型系數取平面屋頂的封閉式建筑物墻面的體形系數1.3，該值實際上為管道和桁架體型系數之和的近似值。

2.2 內力計算

這種倒三角形空間桁架在豎向荷載和水平荷載共同作用下計算其內力，為簡化計算，可以把空間桁架作為平面桁架來計算。圖2為空間桁架計算簡圖。

桁架在豎向荷載和水平荷載共同作用下的內力可分別來計算，圖2為桁架在豎向荷載P作用下的簡圖，在豎向荷載P作用下的空間桁架視為一個高度為h的假象平面桁架來計算各桿的內力，跨度為L。單根上弦的真實內力為按假想桁架計算得到的上弦內力的1/2，單個腹桿的真實內力為Si=Ni/2cosφ，其中，Ni為假想桁架第i個腹桿的內力。按假想桁架計算的下弦內力就是下弦的真實內力。

平面外桁架在水平荷載Px作用下計算內力，桁架高度為b，跨度為L，該桁架在Px作用下計算內力應與P作用在管道支點處所產生的水平分力P1x作用下的內力疊加就是其真實內力。把按假想平面桁架計算出的上弦真實內力加上上弦平面外桁架算得上弦內力后才是空間桁架上弦最終的真實內力。

關于桿件的計算長度，桁架上弦在豎向有腹桿作為支撐系統，在水平向有水平腹桿和斜腹桿作為支撐，上弦的計算長度取節點中心線間的距離s是沒有問題的，兩斜腹桿在下弦的夾角2φ多在30 °～130 °之間，斜腹桿也是下弦很好的支撐系統，所以下弦桿件的計算長度也取下弦節間距s，所有的腹桿計算長度取節點間中心的距離。

這種桁架一般不進行撓度驗算，但是當跨度不小于24 m時宜起拱，拱高約為跨度的1/500。

這里僅說明了三角形空間桁架的內力計算，根據內力利用鋼結構規范上的公式就可以選截面了。現在隨著計算機的發展，實際工程中可以用ANSYS，SAP等有限元軟件和空間建模軟件進行計算。

3 幾點主要的構造考慮

鑒于這種三角形跨越桁架為露天結構，有以下幾個問題在設計時應注意：

1)在設計中要盡可能的使弦桿直徑與豎向斜腹桿直徑的比接近或大于2，而且隨著桁架跨度的增大，該比值也宜加大，其目的是為了盡量使得腹桿與弦桿的連接節點做成節點受力好的圖3，它的焊縫質量容易得到保證。

2)所有桿件的壁厚不小于4 mm，以提高抗腐蝕的能力。

3)在設計時要注意使所有的外荷載都作用到桁架的節點。

4)桁架在水平可變荷載(風荷載或地震荷載)作用下將對屋架產生一定的扭轉作用(豎向荷載作用下也有可能產生扭轉)，詳細地計算它的扭轉效應是比較困難的，為了提高桁架的抗扭轉能力，在實際工程中主要是采取構造措施。例如，如把下弦的端節點采用水平連桿(壓桿)和支架柱連接在一起。這樣加強桁架的剛度和加強桁架與支架的連接，增強整體性能。

5)下弦的端節點處與腹桿相連接，當腹桿內力不太大時，弦桿與腹桿可以直接連接，當桁架跨度較大時，端部的腹桿內力也較大，為了安全可靠，該節點最好采用節點板連接。

6)弦桿兩端應用鋼板焊接封閉，以防空氣進入，鋼管銹蝕。

4 結語

現在的總包工程對于設計精細化要求很高，為了在安全可靠的前提下，要盡可能的降低工程造價。這就需要結構設計人員對于結構形式進行優化，這種三角形斷面空間桁架在鋼鐵廠氧氣站和煤氣柜管網、煉鐵水渣皮帶通廊、廠區架空電纜通廊等結構中優先選用，以降低工程土建費用,而且看上去非常美觀。