管桁架結構節點分析與優化設計

許紹軍

（中國城市建設研究院有限公司，北京 100120）

一、選型原則

在管桁架結構中，通常使用三角形橫截面，分為兩種類型：正三角形和倒三角形。在工程實踐中，經常使用倒三角形的截面。原因是，在三角形的上部，上弦具有兩個連接，上弦在壓縮時更穩定，而在下弦時，拉伸時沒有穩定性問題。圓管連接結構無強弱軸，抗風性好，它廣泛用于空間結構。管桁架在外型尺寸的選擇上。據工程的經驗和規范推薦值,可以參考桁架的上下弦桿間距取總跨度的1/20—1/30.管桁架的高度取總跨度的1/12～1/16.矢高可取跨度的1/3～1/6,弦桿和腹桿之間的夾角不宜小于30。

二、計算要求及模型

（一）常規計算要求

1.管狀結構的內力和位移可以根據線性彈性理論計算；計算內容包括：恒定，臨時，風荷載，地震效應，溫度場變化，支座荷載，支護沉降等，結構位移和內力計算。2.空間結構的計算方法通常采用有限元法，空間劃分系統中的有限元法通常用于計算鋼管。在計算過程中，將根據假設創建分析模型，例如，管道類型，布局計劃，載荷條件和各個施工階段。3.當施加恒定的有效負載時，負載可以在靜態等效基礎上集中在節點上。另外，必須考慮局部彎曲應力對元件橫向上局部載荷的影響。4.管道輪廓分析的邊界條件的定義基于節點的結構，位置，數量和結構，支撐結構的剛度以及模型的整體剛度。5.桿件及節點設計應按基本組合作用的效應確定內力設計值;對抗震設計,地震組合的效應按GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016 版）考慮相關抗震調整系數后計算;對非抗震設計作用及作用組合的效應按GB50009-2012《建筑結構荷載規范》和GB 50017—2017《鋼結構設計規范》相關規定,對位移驗算時，應取標準組合作用下的效應來確定撓度。

（二）模型建立

管桁架是指用圓管桿件在端部相互連接構成的格構式結構，與傳統開口截面（H 型鋼和I 字鋼）鋼桁架相比，管桁架結構截面材料繞中和軸較均勻分部，截面具有更好的抗壓和抗彎承載能力及穩定性，相貫焊接，無需節點板，構造簡單，在創建管桁架模型時，通常采用3D3S，Midas 等軟件進行建模，對于復雜節點可通過有限元軟件ANSYS 對節點進行實體有限元分析復核。

（三）支座及支撐設置

管桁架支座通常是鉸接的，并且支撐件在上弦結或下弦結中放置2-3個網格。如果該結構擱置在下部腱接頭上，則拉桿總體上必須具有可靠的支撐系統。支撐系統可以配備用于上弦的水平縱向支架或側帶。如果由于垂直載荷而導致梁的水平位移較大，則設計應考慮梁的水平位移對整個結構的影響。在這種情況下，整個管件都必須配備可靠，穩定的支撐系統，且沒有平面。通常，可以提供足夠數量的水平桁條以提供平面外穩定性和總體結構剛度。

三、桿件和節點設計與構造

（一）桿件

1.管桁架結構的桿件可以是正方形或圓形，鋼管通常是無縫鋼管或高頻焊接鋼管。鋼管的橫截面必須滿足《鋼結構設計標規范》GB50017-2017中計算鋼管強度和穩定性的要求。2.管道元件的結構元件的分布應確保恒定的整體剛度，相鄰弦在主力方向上的截面積之比應不超過1.8 倍。3.計算鋼管的長細比時，應按照《鋼結構設計標規范》GB50017-2017 軸心受力構件的計算長度及容許長細比嚴格控制，將計算長度L0；節點的結構設計必須易于檢查和維護，鋼管的末端必須覆蓋鋼板。

（二）相貫節點

單榀管桁架通常在主管和噴嘴之間使用橫向接頭，也稱為橫向結。通常，節點損壞很容易導致桿失效，并對整個結構的破壞產生連鎖反應。相交節點也是該結構的高能耗部分。因此，相交組件的設計非常重要，并且對焊縫的要求也相對較高。公共集管和主管必須通過完全角焊連接。如果噴嘴的壁厚較大（t ≥6 mm），則建議在噴嘴的周圍使用對接焊縫和幾次角焊縫。所有類型的焊縫都必須具有凹槽，其形狀取決于噴嘴的壁厚和焊縫的位置。如果噴嘴的壁厚小于6 mm，則無法切割凹槽。角焊腳的高度hf 不得超過分支管壁厚的兩倍。

（三）管桁架相貫線切割工序

在對鋼管相貫桿進行切割的過程中，通常是使用數控相貫線切割機進行，但是為了避免焊接過程中出現變形等情況，就應當采取一定的措施。在切割之前需要對編制的放樣程序進行檢查，對相貫鋼管而言，切割程序編制是影響其質量的重要因素，所以需要通過CAD、PIPE COAST 等軟件并且與 Tekla Structures 等進行結合完成從而保證切割的準確性。其次，在確定桿件切割長度的過程中，需要根據桿件規格以及預留的收縮量進行測量，在長度計算的時候需要將收縮量以及坡口的加工余量等考慮在內進行加工。

（四）相貫節點補強措施

節點驗算是管桁架設計的重要環節，驗算節點時，按照《鋼結構設計標規范》GB50017-2017 節點驗算要求：節點極限承載力必須大于相應軸力的絕對值；支管與主管夾角不宜小于30 度；角焊縫高度不應大于支管壁厚的2 倍；支管壁厚不應大于主管壁厚；支管外徑與主管外徑之比應在0.2到1 之間；支管外徑與壁厚之比不應大于100εk2；主管外徑與壁厚之比不應大于100εk2,對于復雜節點容易出現節點支管軸力限值小于支管軸力，此時應調整主管型號或采取構造措施加強節點，通常通過計算加厚主管壁厚或節點貼鋼板，四面圍焊來補強節點。

四、結語

管接頭設計具有自己獨特的計算和分析屬性。必須根據具體設計進行詳細的設計分析和設計，并考慮結構設計，載荷值，內部構件強度，整體穩定性和抗震性能，以實現功能、意義、概念與經濟利益的完美結合。