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成都市中房二期工程综合楼屋面钢管桁架结构设计

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    苏? 丁大益
    [提要] 成都市房地产交易市场二期工程综合楼A区钢管桁架结构，平面呈长方体（局部开孔且悬挑较大），侧面呈一端上翘的菱形，采用平面钢桁架交叉杆系结构。本文介绍了结构设计的全过程，同时对钢结构的地震反应进行了分析，得出的一些结论供相关工程参考。
    [关键词] 管桁架结构，相贯节点，内力组合，抗震分析。
    一、管桁架概述
    管桁架结构（亦称为管结构、管桁架、钢管桁架结构）近年来在大跨度空间结构中得到了广泛的应用。管桁架结构的结构体系为平面或空间桁架，与一般桁架的区别在于连接节点的方式不同。网架结构采用螺栓球或空心球节点，过去的屋架经常采用板新型节点，而管桁架结构采用在节点处采用杆件间直接焊接的相贯节点（或称管节点）。在贯节点处，只有在同一轴线上的两个主管贯通，其余杆件（即支管）通过端部相贯线加工后，直接焊在贯通杆件（即主管）的外表；非贯通杆件可能在节点部位有一定的间隙（间隙型节点），也可能部分重叠（搭接型节点）。相贯线切割曾被视为难度叫高的加工工艺，因为交汇点杆件的数量、尺寸，角度的不同使得相贯线性形态各异，且破口处理困难。但随着多维数控技术的发展，这些难点一被克服。目前国内一些企业已装备了相贯线切割机，相贯节点管桁架结构在大跨度建筑中得到了前所未有的应用。
    二、本钢结构工程概况
    成都市房地产交易市场二期工程，位于四川省成都市后子门，是一个集房地产展览，办证大厅，餐饮娱乐，休闲为一体的综合性建筑。该建筑地上六层，地下两层，建筑高度为30.000M，总建筑面积为79366.87M 。
    该建筑工程设计等级为一级，结构安全等级为二级，结构类型为钢筋混凝土框架结构，建筑抗震设防烈度为7度。建筑耐火等级为一级，属一类高层建筑，屋面防水等级为II级，地下室防水等级为一级。
    结构形式：主体为钢筋砼框架结构，屋顶为平面交叉钢管桁架体系。建筑结构的安全等级为二级，结构使用年限为50年。重要性系数取1.0。
    整个建筑造型新颖独特，线条优雅流畅，色彩简单明快，虚实对比恰当，给人以强烈的现代气息。尤其是A区菱形屋面，其平面尺寸为104.7MX63.3M，支撑于端部的落地钢管格构柱高28M，临街处飞檐出挑12M～21.55M不等，富于动感。
    三、结构方案确定
    最初的钢结构方案为曲面焊接球形网架，从本项目的平面形状及体形分析，也不失为一种合理的选择，可利用焊接球网架杆件布置的灵活性来实现建筑设计的造型。但该方案处理钢结构同屋面板的连接较为困难，必须通过连接于网架球节点的主副檩条来连接屋面外板和内板。檩条对结构整体刚度没有贡献，会造成钢结构一定的重复用量。
    为避免以上的问题，将檩条作为结构整体的一部分（同时又能同屋面内外板有效的结合），我们确定了以下的方案（见图一）。
    平面钢桁架交叉杆系结构－沿字母轴方向按建筑外形的要求设计成平面梭形钢桁架，沿数字轴方向设计平面桁架式檩条，在必要的位置设立主受力桁架（2，3、4、8、9、10轴TR-A～TR-F）。纵横两向桁架在每一轴线上相交成交叉桁架，两向桁架互为约束，形成较大的空间刚度，同原网架方案相比具有相似的结构整体刚度。
    节点采用相贯式焊接，连接可靠简洁，可分为几个构件段分别吊装，比原网架方案具有安装上的优势。纵向桁架式檩条上下弦采用薄壁方钢管，屋面外、内板可直接连接于桁架式檩条上。
    由于钢结构附加在钢筋砼框架结构屋顶，四面开敞，对风的作用非常敏感，设计结构的刚度要充分考虑风振的影响，要使结构在各种可能的荷载作用下，均具有有效恒定的刚度，并应使其固有频率偏离成都本地风的频率，避免结构发生共振效应。
    采用此方案经计算比较在不提高钢材强度的前提下可节约用钢量约30％。


    四、结构内力分析
    （1）计算模型的确定
    由于结构跨度较大，纵向刚度较弱，取任何一榀计算均不具代表性。因此做内力分析时取完整的结构模型。做地震反应谱分析时，为得到合理的主振型，将钢砼柱也一并建在模型中，见图二。
    （2）荷载取值及荷载组合
    a.基本计算数据
    基本风压 0.30kN/m2
    （风压高度变化系数为1,风振系数为1.1，体形系数为－2）
    基本雪压 0.10kN/m2
    建筑所在地区的抗震设防烈度为 7度
    设计基本地震加速度值为0.10g
    设计地震分组为第一组
    场地土类别为III类
    b.屋面荷载
    恒载标准值 0.60 kN/m2（上下弦各0.30 kN/m2）
    主体结构自重由计算程序自动计入
    活荷载标准值 0.50kN/m2
    c.荷载组合
    组合一：1.2x恒载＋1.4x1.0x活载
    组合二：1.0x恒载＋1.4x1.0x风载
    组合三：1.2x恒载＋0.85x(1.4x活载＋1.4x风载)
    组合四：1.2x恒载＋1.4x1.0x风载＋1.4x0.7x活载＋1.3x0.2x地震荷载
    组合五：1.2x恒载＋1.4x0.5x活载＋1.3x地震荷载
    活荷载和雪荷载取大值计算，水平地震荷载和风荷载组合时考虑与侧向水平风荷载同向组合。
    （3）结构的内力和变形计算
    计算采用阿依艾软件有限公司的STAAD Pro软件，抗震分析采用振型分解反应谱法，考虑8个模态，
    主桁架跨中竖向位移在恒载和活载组合下，考虑1/300的限值，悬臂端考虑1/180的限制值；30M高处桁架最大水平位移在风载作用下考虑1/500的限值（按最长柱考虑）。地震反应下的竖向位移限值为1/300，30M高处桁架最大水平位移限值为1/400。水平位移均考虑纵、横两方向。
    由于屋盖结构独立计算，其下部结构的刚度直接影响到结构内力分析结果，支座刚度的模拟就非常重要，实际分析过程中，每个支座的水平刚度均由计算得出。







    六．制作安装安过程简述
    本钢管桁架所有杆件端头皆采用相贯线割管机精确切割成相贯线切口，支管壁厚大于等于6mm时切成坡口，支管壁厚小于等于6mm时未不切坡口，支管切割时还考虑主管为曲杆等因素对切割轨迹的影响，下料阶段规定不得采用人工修补的方法修正切割完的支管。焊接节点间的杆件长度考虑焊接收缩量，其值通过试验确定。
    对钢管相贯线焊缝要求如下：
    1.线焊缝，应沿全周连续焊接并平滑过渡。焊缝的质量等级：全熔透焊缝为二级，角焊缝和部分熔透焊缝为三级。
    2.当多根支管同时交于一节点，且支管同时相贯时，支管按大管径和壁厚优先。
    支管与支管相贯处一律满焊。
    3.管相贯时，支管端部的相贯线焊缝位置沿支管周边分为A（趾部）、B（侧面）、C（踵部）三个区域。
    4.当焊管壁厚≤6mm时，采用全周角焊缝。
    5.当焊管壁厚＞6mm时，所夹锐角θ≥75º时，采用全周带坡口的全熔透焊缝。
    6.当焊管壁厚＞6mm时，所夹锐角θ＜75º时，A、B区采用带坡口的全熔透焊缝，C区采用带坡口的部分熔透焊缝（当夹角θ＜35º时可采用角焊缝），各区相接处坡口及焊缝应圆滑过渡。
    7.对全熔透和部分熔透焊缝，其有效焊缝高度he>1.15t,且he<1.25t（t为支管的壁厚）。对角焊缝，最小焊脚尺寸为1.5√ t(t为较厚焊件厚度)。
    8参见图四。
    主桁架总长约10m~63m不等，根据运输及现场吊装条件，工厂制作成约10m~20m/榀，然后现场采用加内衬管对焊拼接；次桁架长度不超过8.4m，则全部加工成整构件，现场采用高强螺栓与主桁架连接。下面为安装过程中拍摄的相片。




    七 结论
    通过次工程可以看出钢管桁架结构具有以下优点：
    1.桁架节点形式简单，结构外形简洁、流畅，可适用于多种结构造型。
    2.刚度大，几何特性好。钢管壁一般较薄，截面回转半径较大，则抗压、抗扭新性能好。施工简单，节省材料。管桁架由于在节点处摈弃了传统的连接件，而将各构件直接焊接，故有此优点。
    3.利于防锈与清洁护理。节点处无难以清刷、油漆、积留湿气及大量灰尘的死角和凹槽；构件在全长和端部封闭后其内部不易生锈。
    但同时钢管桁架结构也存在一些局限性：
    1.相贯节点加工放样复杂，相贯线上的坡口是变化的，手工切割很难作到，故对机械加工要求很高。同时可能由于工艺精度及材料质量（如管径误差或不够圆）问题导致相贯线不合要求。本工程由于采用的是平面桁架交叉杆体系，制作难度还相对简单，若是空间管桁架，则加工难度更高。管桁架结构均为焊接节点，要控制焊接收缩量，对焊接质量要求较高。
    相信随着经济的发展，技术的进步，管桁架结构会得到更为广泛的应用。






    参 考 文 献

    1. 董石麟等.空间结构.中国计划出版社.20034.
    2. 陈绍蕃.钢结构设计原理.科学出版社.1987,1998(第二版).

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