鋼桁架設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題——寧波大劇院鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有感

王 珍

(華東建筑設(shè)計(jì)研究院,上海 200000)

鋼桁架設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題
——寧波大劇院鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有感

王 珍

(華東建筑設(shè)計(jì)研究院,上海 200000)

結(jié)合寧波大劇院鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的一些問題進(jìn)行了對(duì)比分析和總結(jié)。主要包括:桁架腹桿大小對(duì)桁架內(nèi)力變形的影響;桁架節(jié)點(diǎn)剛接和鉸接對(duì)桁架內(nèi)力和變形的影響。希望通過分析為設(shè)計(jì)者提供參考。

鋼結(jié)構(gòu); 設(shè)計(jì); 桁架

寧波大劇院位于浙江寧波。劇院的舞臺(tái)、觀眾廳等均需要大空間。劇院下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),屋面、馬道和光橋等使用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)材料采用16Mn鋼。主舞臺(tái)和池座上空均使用大跨度平面鋼桁架。兩者中以主舞臺(tái)上空的桁架最有特點(diǎn)。主舞臺(tái)上空有四榀桁架,跨度23.2 m,對(duì)稱布置(如圖 1)。兩桁架中,鋼桁架KJ3B下有吊柱,僅懸掛格柵層。鋼桁架KJ3A下也設(shè)吊柱,KJ3A的荷載除格柵層外還有五層馬道。其中28.000m和25.000m兩層為200mm厚鋼—混凝土組合樓板,且有較多舞臺(tái)機(jī)械和設(shè)備荷載。其余三層為鋼格板。事實(shí)上,所有舞臺(tái)設(shè)備及機(jī)械都要通過四榀桁架下的吊柱,從結(jié)構(gòu)桁架下弦向下懸掛,而舞臺(tái)上除四角的 L形鋼筋混凝土墻外,沒有其他豎向支承點(diǎn)。這樣桁架上,特別是KJ3A上荷載比較大。在KJ3A和KJ3B設(shè)計(jì)中,桁架高度、弦桿高度一致,弦桿的翼緣和腹板厚度、腹桿大小不同,兩桁架用鋼量不同,承載力也有所不同。兩桁架總高度為3.6m,上、下弦桿高度為600mm。桁架支座采用橡膠支座,其中桁架一端為固定鉸支座,另一端為可在一定范圍內(nèi)定向滑移的定向鉸支座。因此,在桁架內(nèi)力計(jì)算時(shí),支座邊界條件為:一端鉸支,另一端可發(fā)生 X向位移。計(jì)算結(jié)果中,桁架支座的X向位移應(yīng)小于等于橡膠支座的位移限制。由于桁架高度的限制,兩榀桁架的設(shè)計(jì)也頗費(fèi)了一些周折。

現(xiàn)將鋼桁架設(shè)計(jì)過程中的一些特別之處,以KJ3A設(shè)計(jì)為例,進(jìn)行一些對(duì)比分析。談?wù)勪撹旒茉O(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問題。

圖1 舞臺(tái)桁架下弦平面

1 桁架腹桿對(duì)桁架上下弦桿內(nèi)力的影響

在對(duì)桁架KJ3A的設(shè)計(jì)計(jì)算中,進(jìn)行了多次計(jì)算調(diào)整。由于荷載大,桁架中心高度雖然已做到 3m,跨高比達(dá)到了7.73/1,但是桁架上下弦桿內(nèi)力仍然很大,上下弦桿要做到800mm×400mm才能滿足要求。而腹桿內(nèi)力不大,腹桿若按照內(nèi)力來選擇截面,則很小。一般腹桿受長(zhǎng)細(xì)比控制。這樣的桁架上、下弦桿顯得過剛,而腹桿又顯得比較柔。這時(shí)筆者想到可不可以適當(dāng)增加桁架腹桿,以增加整個(gè)桁架的剛度,從而減小桁架的下?lián)?這樣是否可以使桁架的弦桿的內(nèi)力分布更為均勻呢?以下是在荷載和弦桿截面不變的情況下,腹桿采用兩種方案的對(duì)比分析。方案一(如圖 2):節(jié)點(diǎn)為剛接,腹桿用HN250×250×9×14,A=92.18 cm2,IX= 10 800 cm4;方案二(如圖3):節(jié)點(diǎn)為剛接,邊跨三根斜腹桿用HN 400×400×13×21,A=219.5 cm2,IX=66 900 cm4,其它腹桿均用HN 350×350×12×19,A=173.9 cm2,IX=40 300 cm4。

對(duì)比兩方案的計(jì)算結(jié)果,方案一中桁架的最大撓度為62.3mm,最大弦桿軸力為6 817.7 kN,最大彎矩達(dá)到959.8 kN·m。方案二中桁架的撓度明顯減少為 42.9mm,最大弦桿軸力為6 951.5 kN,最大彎矩為755.8 kN·m。雖然,軸力有所增加,但彎矩減小幅度更大。最終,KJ3A上下弦桿截面做到600mm×400mm。以下是兩種截面取法下桁架內(nèi)力、變形的對(duì)比。從這個(gè)例子可以看到腹桿大小對(duì)桁架內(nèi)力、變形的影響。通過計(jì)算對(duì)比分析,適當(dāng)?shù)募哟箬旒艿母箺U,對(duì)桁架的整體性是有益的,上下弦桿內(nèi)力得到有效的控制。

圖2 桁架設(shè)計(jì)方案一

2 桁架在內(nèi)力計(jì)算時(shí)的剛接和鉸接假定

在一般的結(jié)構(gòu)力學(xué)教材里,為便于計(jì)算桁架總是假定為鉸接,然后進(jìn)行內(nèi)力的計(jì)算分析。這種假定是否符合實(shí)際,還與桿件高度和長(zhǎng)度有關(guān)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ 17-88)中認(rèn)為:當(dāng)弦桿的截面高度/幾何長(zhǎng)度>1/10、腹桿的截面高度/幾何長(zhǎng)度>1/15,應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)剛性引起的次內(nèi)力。在寧波大劇院項(xiàng)目中,主舞臺(tái)KJ3A鋼桁架結(jié)構(gòu)中,弦桿和腹桿都大于規(guī)范所規(guī)定的限制,均應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)的剛性。以下兩種方案是KJ3A在兩種節(jié)點(diǎn)假設(shè)下的對(duì)比。其中方案二同前述(如圖 3),節(jié)點(diǎn)為剛接;方案三截面尺寸、荷載同方案二,僅將節(jié)點(diǎn)設(shè)為鉸接。比較二者的內(nèi)力和變形,可以看出兩者差別是很大的。方案三桿件彎矩為零,軸力增大。而事實(shí)上,由于節(jié)點(diǎn)的剛性,桿件內(nèi)的彎矩是不容忽視的。如果把KJ3A桁架的截面尺寸減小,再次對(duì)比鉸接和剛接的計(jì)算結(jié)果,可以得知兩者差別不大。

由以上的分析對(duì)比可以得知:(1)桁架腹桿的大小對(duì)桁架整體性有一定影響,在進(jìn)行鋼桁架設(shè)計(jì)和截面選擇時(shí),如遇到上、下弦桿內(nèi)力較大時(shí),不要一味的加大桁架高度、或加大弦桿截面尺寸,可以嘗試改變腹桿截面,調(diào)整桁架內(nèi)力分布;(2)在進(jìn)行桁架計(jì)算前,桁架節(jié)點(diǎn)連接形式應(yīng)符合實(shí)際情況,否則計(jì)算結(jié)果可能會(huì)有較大的差異。

限于時(shí)間和設(shè)計(jì)示例的特殊性,本文難免有不足和片面之處。還請(qǐng)大家指正。

圖3 桁架設(shè)計(jì)方案二

[1] GBJ 17-88鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2] 盧鐵鷹.鋼結(jié)構(gòu)[M].重慶:西南師范大學(xué)出版社,1993

TU392.1

A

2010-01-27

王珍(1975～),女,工學(xué)碩士,國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師,四川省土木建筑學(xué)會(huì)會(huì)員。