某屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)探究

賽福鼎·乃吉木

摘 要：隨著技術(shù)的進(jìn)步和人們審美意識(shí)的增強(qiáng)，各種建筑推陳出新，新的設(shè)計(jì)思路強(qiáng)化了建筑的美感，但同時(shí)更要注意穩(wěn)定性，建筑結(jié)構(gòu)是建筑的基礎(chǔ)，需要通過(guò)良好的技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，只有滿足了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、迎合了社會(huì)主流審美潮流的建筑也是完美的，為了確保建筑結(jié)構(gòu)符合要求，則需要全面進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)研究，以此確保建筑穩(wěn)定安全，實(shí)現(xiàn)功能展現(xiàn)。文章主要介紹了某屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)體系、分析條件、相關(guān)計(jì)算結(jié)果及支座節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)整體模型與鋼結(jié)構(gòu)單一模型分析結(jié)果做全面對(duì)比，確保整體模型所得結(jié)果更加符合實(shí)際工程需要，從根本上推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，提升建筑品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：桁架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；合理性

1 工程概況

就某建筑工程為例，整體采取鋼桁架屋蓋與混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建筑的組合結(jié)構(gòu)形式（如圖1）。圖中所示，中間呈現(xiàn)四坡鋼結(jié)構(gòu)屋面形狀，平面投影尺寸設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是110m×44m。建筑最高點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)高是14.000m，兩側(cè)采取單層混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，柱網(wǎng)是7.5m×9.0m，混凝土梁頂標(biāo)高設(shè)計(jì)是11.000m。

2 屋蓋結(jié)構(gòu)體系

屋蓋結(jié)構(gòu)體系非常重要，其設(shè)計(jì)是否科學(xué)關(guān)系到建筑的穩(wěn)定性，那么在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)科學(xué)的預(yù)算做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布局。根據(jù)建筑物的功能，并且按照設(shè)計(jì)四坡屋面造型的需要，進(jìn)一步確定混凝土柱整體布局結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)為平面鋼桁架形式，設(shè)計(jì)桁架跨度為37.5m，各間距為9m，同時(shí)在框架四周各懸挑出3m的標(biāo)高。桁架中間設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)厚度是2.0m，端部支座的部位設(shè)計(jì)厚度削減到0，整個(gè)懸挑屋檐使用單根方管排列組合，強(qiáng)化建筑強(qiáng)度。建筑的鋼屋蓋部分設(shè)計(jì)平面尺寸是72m×37.5m，同時(shí)鋪設(shè)混凝土柱柱網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是9.0m×37.5m。

3 分析條件

按照建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，對(duì)各部位科學(xué)性進(jìn)行系統(tǒng)分析，要對(duì)幾項(xiàng)大的指標(biāo)體系進(jìn)行檢驗(yàn)，確保其合理因素。

（1）幾何邊界條件?；炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)和桁架上下弦桿設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵，主要受力部位集中到梁?jiǎn)卧旒芨箺U、水平支撐及系桿主要通過(guò)軸力單元來(lái)呈現(xiàn)。鋼結(jié)構(gòu)利用小短鋼柱和混凝土柱頂形成一定力量的鉸接，屋蓋檁條部分是簡(jiǎn)支梁形式，這樣能夠使受力更加均衡。主桁架選擇硬度較高的材質(zhì)，主要是Q345B材料。上下弦桿非常重要，起到支撐作用，主要使用了Φ299mm×12，腹桿是Φ140mm×6的規(guī)格；次桁架上下弦桿承受一定重力，主要使用Φ180mm×8，腹桿Φ95mm×5的規(guī)格。

（2）荷載作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是確保建筑穩(wěn)定的前提，設(shè)計(jì)是否合理，直接影響建筑使用功能發(fā)揮，那么在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮了結(jié)構(gòu)自重、屋面活載、屋面恒載、屋面雪載、風(fēng)荷載、溫度作用及地震作用等不同的影響因素，只有全面考慮周到，才能實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)合理性。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，具體數(shù)據(jù)如下：一是結(jié)構(gòu)自重設(shè)計(jì)，主要取決于計(jì)算程序過(guò)程，能夠達(dá)到自動(dòng)計(jì)入的目標(biāo)；二是屋面情況。活載控制到0.5kN/m2、恒載控制到0.80kN/m2，可以選擇設(shè)計(jì)到采光天窗處1.50kN/m2；三是基本雪壓按50a重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)，要控制到S0=0.10kN/m2，可以單獨(dú)做好設(shè)計(jì)，和活載量分開(kāi)計(jì)算；四是基本風(fēng)壓要看地面粗糙度，如果是B類，則風(fēng)壓高度變化系數(shù)要由規(guī)范取值，按50a重現(xiàn)期計(jì)算，保持到W0=0.50kN/m2，溫度作用±30℃；五是抗震設(shè)防烈度整體取7度，基本加速度取值是0.10g。

（3）荷載組合。荷載量直接影響建筑的承重力，要在設(shè)計(jì)時(shí)全面考慮到內(nèi)力情況，內(nèi)力基本組合表現(xiàn)職下：1.0恒+1.4風(fēng)；1.2恒+1.4活+0.84風(fēng)；1.2恒+1.4活+1.0溫；1.0恒+1.4風(fēng)+1.0溫；1.2恒+1.4風(fēng)+0.98活；1.2恒+1.4活。

4 同設(shè)計(jì)參數(shù)不同模型主要計(jì)算結(jié)果

（1）撓度對(duì)比。建筑的恒載+活載是必不可少的參數(shù)，整體模型撓度比單一模型要大許多，大體為122.5%左右。整體標(biāo)準(zhǔn)組合起到綜合作用，在這種作用下，需要全面考慮到整體模型桁架最大撓度，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是89mm，撓跨比設(shè)計(jì)為89/37500=1/421。如果是單一模型，那么，桁架最大撓度設(shè)計(jì)是40mm，撓跨比是40/37500=1/937。

（2）自振周期對(duì)比。鋼結(jié)構(gòu)模型呈現(xiàn)單一形式，那么，整個(gè)結(jié)構(gòu)自振周期則需要通過(guò)局部振動(dòng)實(shí)現(xiàn)，保持密集的陣型，確保穩(wěn)定性。組合結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)，自振周期則需要考慮均整體平動(dòng)或扭動(dòng)的情況，所以說(shuō)，單一模型剛度大于整體模型剛度。

（3）鋼支座反力對(duì)比。計(jì)算屋蓋桁架中間跨取值時(shí)，要對(duì)不同的部位進(jìn)行計(jì)算，形成整體模型與單一模型鋼支座反力結(jié)果，按計(jì)算得到的結(jié)果顯示，兩個(gè)模型所產(chǎn)生的豎向反力沒(méi)有較大的差別，整體不受影響，兩個(gè)模型在地震作用下，所產(chǎn)生的反力非常小，若除去地震作用力，那么單一模型產(chǎn)生的跨度方向支座反力就會(huì)增加，比整體模型要高出多倍，比值高達(dá)41倍以上，所以，我們?cè)谶M(jìn)行混凝土柱設(shè)計(jì)的時(shí)候，一要充分做好荷載作用的取值，只有設(shè)計(jì)合理，才能實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)建設(shè)目標(biāo)，確保建筑穩(wěn)定性。

5 支座節(jié)點(diǎn)

屋蓋桁架通過(guò)多種結(jié)構(gòu)支撐，起到穩(wěn)定作用，小短鋼柱能夠支承混凝土柱柱頂，起著重要的作用，過(guò)渡板能夠?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)安裝時(shí)出現(xiàn)的誤差進(jìn)行有效調(diào)整，確保建筑結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。桁架端部厚度減為0，使抗彎剛度不夠，出現(xiàn)了突然的銳減情況，那么，為了保證結(jié)構(gòu)均衡，則需要對(duì)桁架抗彎剛度做好加強(qiáng)設(shè)計(jì)，實(shí)際操作時(shí)，可能通過(guò)支座對(duì)上下弦桿間焊接鋼板來(lái)解決，小短鋼柱連接過(guò)渡板與鋼結(jié)構(gòu)預(yù)埋件，形成良好的焊接，保證結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)穩(wěn)固。

6 整體模型線彈性屈曲分析

在不考慮幾何與材料非線性影響因素的情況下，屋蓋桁架彈性屈曲表現(xiàn)如下：第一階屈曲模態(tài)是屋蓋桁架局部屈曲（見(jiàn)圖2），屈曲臨界荷載系數(shù)K=11.2，也就是11.2倍于1.0恒載+1.0活載作用，屋蓋結(jié)構(gòu)如果出現(xiàn)局部屈曲，則證明桁架結(jié)構(gòu)整體剛度良好，滿足設(shè)計(jì)需要。考慮1.0恒載+1.0活載基礎(chǔ)上，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)組合工況進(jìn)行全面考慮。

7 結(jié)束語(yǔ)

屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)關(guān)系到整體穩(wěn)定，需要在設(shè)計(jì)時(shí)全面分析與研究，確保鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)全面合理，可以通過(guò)整體計(jì)算做好正確的結(jié)構(gòu)分析，實(shí)現(xiàn)邊界支座彈性剛度模擬取值科學(xué)有效，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的計(jì)算誤差，解決結(jié)構(gòu)中存在的薄弱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)建筑質(zhì)量的穩(wěn)步提升。

參考文獻(xiàn)

[1]GB50011-2010.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50010-2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].