管廊鋼桁架的設計

趙瀟晗

（華陸工程科技責任有限公司，西安 710065）

1 鋼桁架的特點和應用

鋼桁架是一種整體以受彎為主、桿件以受軸力為主的結構形式。與梁結構相比，其優點是充分利用材料的強度，在跨度比較大時更節省材料，減輕自重，增大剛度。因此，在工業和民用建筑中，鋼桁架得到了廣泛應用，如鋼結構大跨度屋面、大跨橋梁、鋼棧橋、管廊等結構形式。

2 鋼桁架的分類

按結構的形式和受力特點，鋼桁架主要分為平面桁架和空間桁架2類；按結構的形式和受力特點，鋼桁架主要分為平面桁架和空間桁架2類；按桿件內力和節點構造特點，可以分為重型、輕型和普通型桁架。常用的平面桁架外形如圖1所示。

圖1 常用的平面桁架外形

3 受力分析

3.1 計算假定

做以下假定：（1）假設桁架中所有的節點均為鉸接；（2）桿件軸線平直相交于節點中心；（3）荷載作用線通過桁架節點；（4）所有桿件軸線及荷載作用線在同一平面內。

在此假定下，桁架內所有桿件均為二力桿（只受沿桿軸線大小相等、方向相反的兩個力的桿），這樣的桁架為理想平面桁架。

3.2 結構計算

1）根據平衡理論，節點承受匯交力系作用，逐次建立各節點的投影平衡方程：∑X=0、∑Y=0，可求出所有的未知桿件內力，這種方法稱結點法，最適用于簡單桁架。求解時可根據平衡理論先判定零桿，并盡可能避免解聯立方程，有時只需求少數桿件內力。

2）對于聯合桁架和復雜桁架，節點法無法奏效時需用截面法，有選擇地截斷桿件（一般不超過3根）以桁架的局部為平衡對象，由平衡方程即可求得所需桿件軸力。

3）對于桿件很多的復雜桁架或空間桁架，最好選擇電算法。

4 設計實例

4.1 項目概況

萬華化學MDI技改項目的丙烷脫硫管廊主項，管廊跨度25 m，柱距6 m，每層荷載20 kN/m，層高2 m。橫梁規格為HN300 mm×150 mm×6.5 mm×9 mm。將荷載按恒載∶活載=1∶2的比例計算，輸入PKPM模型（考慮到活荷載分項系數為1.4，恒荷載分項系數為1.2，這樣更不利）。

4.2 設計思路

4.2.1 外形選擇

工程中桁架形式多種多樣，為方便管道支撐通常采用平行弦桁架。斜桿向下傾斜時，上弦受壓，下弦受拉，豎桿受壓，斜桿受拉，受力更合理。

4.2.2 桿件截面選擇

截面選擇的原則有：鋼桁架中拉桿應滿足強度和容許長細比的要求，壓桿應滿足強度、穩定性和容許長細比的要求。并將斜桿傾角控制在40°～50°。另外，為便于制造和施工，在同一桁架平面內桿件種類不宜太多，最好不超過5種。使用PKPM程序計算，對3種桁架截面形式進行對比，結果見表1。

由此得出以下幾點：

1）由于桿件均為軸心受力構件，拉桿強度僅與凈截面面積有關；壓桿強度和凈截面面積、穩定系數有關。所以3種桁架形式桿件用鋼量的差別不大，在5%以內。管廊弦桿平面內外計算長度相同時，相同截面積下剖分T形鋼平面內、外受壓性能更好，更經濟。

2）根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準（附條文說明）》[1]3.4.2條，對單面連接的單角鋼按軸心受力時，強度設計值應乘以折減系數0.85，計算時PKPM程序已根據相關要求考慮了折減系數。單角鋼連接簡單，但受力復雜，荷載由弦桿的腹板傳遞，不經過桿件截面的形心，造成了力的偏心。所以當荷載較大時，腹桿宜選用雙角鋼或剖分T形鋼。

3）宜優先選用肢寬壁薄的截面，使桿件在相同用鋼量的情況下具有較大的回轉半徑和慣性矩。

4）在實際結構中桁架有自重，即使荷載是作用于結點上，在自重的作用下各桿件產生彎曲變形，并不像理想桁架那樣只有均布的軸力，故產生的附加內力稱為次應力（主要為彎矩）。次應力產生的原因有：因結點剛性而產生的次應力；因各桿的軸線不能完全通過鉸心而產生的次應力；因非結點荷載而產生的次應力。

GB 50017—2017《鋼結構設計標準（附條文說明）》8.4.5條指出，對用節點板連接的桁架，當桿件為H形、箱形等剛度較大的截面，且在桁架平面內的桿件截面高度h與其幾何長度（節點中心間的距離L）之比h/L大于1/10（對弦桿）或1/15（對腹桿）時，應考慮節點剛性所引起的次彎矩。對桿件為單角鋼、雙角鋼或T形截面的桁架結構且為結點荷載時，可忽略次應力的影響。但上述標準中并未指出如何計算次彎矩的效應，所以用H形鋼截面做弦桿應盡量遵守標準的規定，優先選擇寬翼緣H形鋼。

表1 不同截面特性表

5）防腐及防火對鋼結構非常重要，剖分T形鋼和H形鋼在這一點上優勢明顯。

4.2.3 高跨比

桁架因高度不同對內力的影響較大，因此對不同高度下的桁架性能進行了對比，結果見表2。

由表2可以看出，當管廊高度每增加20%～25%時，相同截面下弦桿承載力可以提高18%～25%，撓度可以減小20%～25%，幾乎呈線性增長，而腹桿受力變化在可接受范圍內，總體用鋼量僅增加1%～4%。所以在設計跨度較大的跨路管廊時可以和上游專業協商，合理增加桁架高度，本項目此部分層高從2 m協商調至2.3 m，使設計更加優化。

4.2.4 節點形式

從節點形式上看，剖分T形鋼和單角鋼組合桁架節點構造簡單，無須節點板，焊縫數量少，施工方便，有明顯的經濟效益。雙角鋼桁架和H形鋼桁架均需要節點板，制作麻煩，焊接量大。

5 結語

本文通過調整鋼桁架高度，對管廊鋼桁架進行了優化設計。從桁架的截面選擇和節點形式2方面對剖分T形鋼、H形鋼、雙角鋼桁架進行比較，認為剖分T形鋼作為桁架弦桿可以滿足使用要求，受力合理，減少或不用連接板，便于制作和安裝。

近年來，剖分T形鋼的使用逐漸增多，在一些發達國家已有用剖分T形鋼取代雙角鋼的趨勢。我國目前也已經頒布了相應的圖集06SG515-2《輕型屋面梯形鋼屋架（剖分T形鋼弦桿）》。剖分T型鋼易于涂漆且其抗腐蝕性能好，可延長其使用壽命且降低造價，綜合技術經濟效果好，可以在工程中推廣。

表2 不同高度下的桁架性能對比表