大跨度空間桁架的計(jì)算分析

回鋒

摘要：本文從工程實(shí)例出發(fā)，對(duì)大跨度空間桁架進(jìn)行分析，從結(jié)構(gòu)方案的選型、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的細(xì)部處理三個(gè)方面進(jìn)行研究。本文利 用 Midas Gen 有限元軟件，分析結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性并改善結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定安全儲(chǔ)備;配合 MidasFea 完美解決了復(fù)雜節(jié)點(diǎn)分析的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：大跨度空間桁架;結(jié)構(gòu)選型;整體穩(wěn)定;關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

1.工程概況

該項(xiàng)目為沈陽(yáng)某文創(chuàng)中心，原使用功能為味精廠原料庫(kù)，重建后為保?留原建筑歷史風(fēng)貌，屋面采用多跨連續(xù)雙坡屋面，并保留三角形屋架的歷?史特征（圖?1）。本工程地上一層框架，?局部一層地下室，?屋面采用鋼結(jié)構(gòu)?加輕質(zhì)屋面板（GRC）。建筑方案要求中庭采用下沉式大開(kāi)敞多功能廳，?長(zhǎng)?36?米寬?33?米，接近平面矩形，其中多功能廳上方?33?米跨方向?yàn)槿珉p坡?屋面，縱向跨度?36?米;除中庭以外其他部分均由?11?米跨度三角鋼桁架組?成。

2.屋面鋼桁架桁架方案比選

中庭?36mx33m?處為三跨連續(xù)雙坡屋面，?由于?33m?跨度方向存在兩個(gè)雙?坡屋面的最低點(diǎn)，不適合作為主受力方向。因此主受力方向定為?36m?跨度 方向。初步設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)采用兩種桁架形式進(jìn)行比選試算。方案一，利?用三角形屋面屋脊最高點(diǎn)作為桁架的最高點(diǎn)，形成單榀管桁架，增加桁架?的高度，從而節(jié)省用鋼量。但由于三跨連續(xù)坡屋面在陰脊處不斷開(kāi)會(huì)造成?33m?跨連續(xù)，形成短向受力較大，并且在兩個(gè)三分之一處有最不利點(diǎn)，因 此最終決定在屋面陰脊處斷開(kāi)。斷開(kāi)后單榀桁架平面外支撐無(wú)法保證，尤 其是兩個(gè)邊榀，左右剛度相差較大，?會(huì)造成桁架的平面外失穩(wěn)。方案二，?采用倒三角管桁架，不能利用三角形雙坡屋面的屋脊最高點(diǎn)，但自身穩(wěn)定性較好。因此最終選取方案二作為最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

3.結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析

本節(jié)對(duì)上述方案二進(jìn)行考慮初始幾何缺陷的特征值屈曲分析，采用Midas Gen 有限元軟件，其中整體初始幾何缺陷模式可按最低階整體屈曲模 態(tài)采用，最大缺陷值可取跨度的 1/300。方案初始階段，倒三角桁架雙上弦 桿之間僅有水平連接桿，并無(wú)斜向連接桿，屈曲分析安全系數(shù) K 為 4.5，略 大于《空間網(wǎng)格技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010 中要求 4.2，偏于不安全。通過(guò)對(duì)應(yīng) 模態(tài)（圖 2）可以看出此時(shí)主桁架發(fā)生整體失穩(wěn)，說(shuō)明主桁架整體抗扭剛 度不足，分析后在桁架兩上弦之間增設(shè)斜向桿件，使桁架上弦在平面外形 成穩(wěn)定桁架體系，保證了主桁架的整體穩(wěn)定。有效的提高了結(jié)構(gòu)屈曲分析的安全系數(shù)，調(diào)整后 K 值為 23.768，遠(yuǎn)大于 4.2，結(jié)構(gòu)偏于安全。

4.節(jié)點(diǎn)有限元分析

本節(jié)采用 Midas Gen 整體建模，截取模型局部導(dǎo)入 Midas Fea，對(duì)細(xì)部 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)體建模、切割、網(wǎng)格劃分等，再回導(dǎo)入到 Midas Gen 整體模型中 進(jìn)行整體計(jì)算分析，通過(guò)圖 3 結(jié)果可知，最大應(yīng)力集中在下弦鋼管的下側(cè)，此處為鋼梁接連部位，最大應(yīng)力為 275MPa，應(yīng)力比在 0.9 左右。為保證結(jié) 構(gòu)的安全性，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)將桁架上、下弦桿在節(jié)點(diǎn)處均按鉸接進(jìn)行復(fù)核，此時(shí)最大應(yīng)力比在 0.75 左右，此種情況為桁架上、下弦桿在節(jié)點(diǎn)處形成塑 性鉸，由于桁架上、下弦桿滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中 S1 級(jí)截面標(biāo)準(zhǔn)，即 使全截面進(jìn)入塑性，承載能力仍不降低。因此即使按照剛接計(jì)算應(yīng)力比大 于 1.0，仍可滿足結(jié)構(gòu)安全性。

5.結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)對(duì)大跨度復(fù)雜空間桁架的穩(wěn)定分析，提出了 一種解決桁架整體穩(wěn)定的方法。并給出了一種解決復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，為類(lèi)似的設(shè)計(jì)提供思路。

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