管桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

許紹軍

（中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120）

一、選型原則

在管桁架結(jié)構(gòu)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(shí)踐中，經(jīng)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(gè)連接，上弦在壓縮時(shí)更穩(wěn)定，而在下弦時(shí)，拉伸時(shí)沒有穩(wěn)定性問題。圓管連接結(jié)構(gòu)無(wú)強(qiáng)弱軸，抗風(fēng)性好，它廣泛用于空間結(jié)構(gòu)。管桁架在外型尺寸的選擇上。據(jù)工程的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)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(jì)算要求及模型

（一）常規(guī)計(jì)算要求

1.管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移可以根據(jù)線性彈性理論計(jì)算；計(jì)算內(nèi)容包括：恒定，臨時(shí)，風(fēng)荷載，地震效應(yīng)，溫度場(chǎng)變化，支座荷載，支護(hù)沉降等，結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力計(jì)算。2.空間結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法通常采用有限元法，空間劃分系統(tǒng)中的有限元法通常用于計(jì)算鋼管。在計(jì)算過程中，將根據(jù)假設(shè)創(chuàng)建分析模型，例如，管道類型，布局計(jì)劃，載荷條件和各個(gè)施工階段。3.當(dāng)施加恒定的有效負(fù)載時(shí)，負(fù)載可以在靜態(tài)等效基礎(chǔ)上集中在節(jié)點(diǎn)上。另外，必須考慮局部彎曲應(yīng)力對(duì)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(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，位置，數(shù)量和結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)的剛度以及模型的整體剛度。5.桿件及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)按基本組合作用的效應(yīng)確定內(nèi)力設(shè)計(jì)值;對(duì)抗震設(shè)計(jì),地震組合的效應(yīng)按GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 版）考慮相關(guān)抗震調(diào)整系數(shù)后計(jì)算;對(duì)非抗震設(shè)計(jì)作用及作用組合的效應(yīng)按GB50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定,對(duì)位移驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的效應(yīng)來(lái)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(gòu)成的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)開口截面（H 型鋼和I 字鋼）鋼桁架相比，管桁架結(jié)構(gòu)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(wěn)定性，相貫焊接，無(wú)需節(jié)點(diǎn)板，構(gòu)造簡(jiǎn)單，在創(chuàng)建管桁架模型時(shí)，通常采用3D3S，Midas 等軟件進(jìn)行建模，對(duì)于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)可通過有限元軟件ANSYS 對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)體有限元分析復(fù)核。

（三）支座及支撐設(shè)置

管桁架支座通常是鉸接的，并且支撐件在上弦結(jié)或下弦結(jié)中放置2-3個(gè)網(wǎng)格。如果該結(jié)構(gòu)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(tǒng)。支撐系統(tǒng)可以配備用于上弦的水平縱向支架或側(cè)帶。如果由于垂直載荷而導(dǎo)致梁的水平位移較大，則設(shè)計(jì)應(yīng)考慮梁的水平位移對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響。在這種情況下，整個(gè)管件都必須配備可靠，穩(wěn)定的支撐系統(tǒng)，且沒有平面。通常，可以提供足夠數(shù)量的水平桁條以提供平面外穩(wěn)定性和總體結(jié)構(gòu)剛度。

三、桿件和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與構(gòu)造

（一）桿件

1.管桁架結(jié)構(gòu)的桿件可以是正方形或圓形，鋼管通常是無(wú)縫鋼管或高頻焊接鋼管。鋼管的橫截面必須滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)規(guī)范》GB50017-2017中計(jì)算鋼管強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。2.管道元件的結(jié)構(gòu)元件的分布應(yīng)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(yīng)不超過1.8 倍。3.計(jì)算鋼管的長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，應(yīng)按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)規(guī)范》GB50017-2017 軸心受力構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度及容許長(zhǎng)細(xì)比嚴(yán)格控制，將計(jì)算長(zhǎng)度L0；節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須易于檢查和維護(hù)，鋼管的末端必須覆蓋鋼板。

（二）相貫節(jié)點(diǎn)

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(jié)。通常，節(jié)點(diǎn)損壞很容易導(dǎo)致桿失效，并對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。相交節(jié)點(diǎn)也是該結(jié)構(gòu)的高能耗部分。因此，相交組件的設(shè)計(jì)非常重要，并且對(duì)焊縫的要求也相對(duì)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(duì)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(wú)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(duì)鋼管相貫桿進(jìn)行切割的過程中，通常是使用數(shù)控相貫線切割機(jī)進(jìn)行，但是為了避免焊接過程中出現(xiàn)變形等情況，就應(yīng)當(dāng)采取一定的措施。在切割之前需要對(duì)編制的放樣程序進(jìn)行檢查，對(duì)相貫鋼管而言，切割程序編制是影響其質(zhì)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(jìn)行結(jié)合完成從而保證切割的準(zhǔn)確性。其次，在確定桿件切割長(zhǎng)度的過程中，需要根據(jù)桿件規(guī)格以及預(yù)留的收縮量進(jìn)行測(cè)量，在長(zhǎng)度計(jì)算的時(shí)候需要將收縮量以及坡口的加工余量等考慮在內(nèi)進(jìn)行加工。

（四）相貫節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)措施

節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算是管桁架設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)時(shí)，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)規(guī)范》GB50017-2017 節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算要求：節(jié)點(diǎn)極限承載力必須大于相應(yīng)軸力的絕對(duì)值；支管與主管夾角不宜小于30 度；角焊縫高度不應(yīng)大于支管壁厚的2 倍；支管壁厚不應(yīng)大于主管壁厚；支管外徑與主管外徑之比應(yīng)在0.2到1 之間；支管外徑與壁厚之比不應(yīng)大于100εk2；主管外徑與壁厚之比不應(yīng)大于100εk2,對(duì)于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)支管軸力限值小于支管軸力，此時(shí)應(yīng)調(diào)整主管型號(hào)或采取構(gòu)造措施加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，通常通過計(jì)算加厚主管壁厚或節(jié)點(diǎn)貼鋼板，四面圍焊來(lái)補(bǔ)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。

四、結(jié)語(yǔ)

管接頭設(shè)計(jì)具有自己獨(dú)特的計(jì)算和分析屬性。必須根據(jù)具體設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析和設(shè)計(jì)，并考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，載荷值，內(nèi)部構(gòu)件強(qiáng)度，整體穩(wěn)定性和抗震性能，以實(shí)現(xiàn)功能、意義、概念與經(jīng)濟(jì)利益的完美結(jié)合。