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空间管桁架结构设计探讨
摘要:本文通过具体工程阐述大跨度整体空间管桁架的设计思 路、设计过程,并结合计算分析对空间结构设计应用做一些探讨。
关键词:空间管桁架、相贯节点、模态及反应谱分析、屈曲分析
工程概况:
木工程为公路收费大棚,主要构成为管桁柱和空间管桁架屋盖(见 图1)。长向两跨,短向一跨,总长度95米,宽度20米。最大跨度 35米左右,主体高度10米。屋面为弧形的柱面切割面,屋面板轻 型屋面板。结构采用空间管桁架梁柱结构体系,工程所在地区抗震 烈度6度,地震分组二组,场地类别为二类场地。
结构选型及结构布置:
近年来,随着我国空间钢结构技术的不断发展,空间管桁架在大 跨度建筑结构中的应用越来越多,它的最大优点是能将人们对建筑 物的功能要求、感观要求以及经济效益要求完美地结合在一起。本 工程即采用空间管桁架结构。
管桁结构具有节点形式简单,在节点处采用相贯节点,结构外形 简洁流畅;施工和维护简单,节省材料易于清洁维护;可满足各种 不同建筑形式的要求,建筑造型更丰富、视觉效果更有优势。
本工程由五根三角形桁架柱和四棍三角形桁架主梁组成主体结 构。共布置两排三列柱,最右端为单柱。柱间两个方向布置倒三角 形管桁架梁,主桁架高度和顶面宽度分别为1.7米、1.4米,四周 均有悬挑。为避免主桁架侧向失稳,沿长向每隔5. 7米布置短跨向 次桁架,次桁架高度和顶面宽度为1.0米、1.2米,周边做小桁架 封边梁见(图2)。管桁釆用空间倒三角形桁架以增大侧向刚度,提 高侧向稳定性以增大次桁架间距。这样布置传力途径直接,有效承 担竖向荷载同时形成双向门式结构抵抗水平荷载。
结构计算:
本工程使用sap2000通用结构分析与设计软件进行设计分析。
一、 主要荷载
恒荷载:屋面自重包括屋面板和標条上弦0. 4kn/m2, K弦节 点0. 3kn,结构自重程序可自动计算。
活荷载:上弦0. 5 kn/m2
风荷载:基本风压0. 35 kn/m2,
二、 计算及分析
本工程进行了恒、活荷载以及风荷参与的静力分析、模态分析和 振型反应谱分析、屈曲分析。以下分别介绍计算分析结果。
静力分析主要计算结构的的恒、活荷载及风荷影对整个结构的 影响。开敞屋盖结构水平向风荷载影响较小,主要为竖向掀力,因 此本工程将风荷载作为结构的主要作用工况考虑。柱杆件应力比控 制在不大于0. 7,梁杆件应力比控制在不大于0. 8
模态分析和振型反应谱分析本质上是一种拟动力分析,它首先 使用动力方法计算质点地震影响,并使用统计的方法形成反应谱曲 线,然后再使用静力方法进行结构分析。对分析结果进行查看,输 出振型分析结果,第一振型变形图见图3,这是侧立面图,可以明 显的看出是y向的平动。
图3
第二振型的变形图见图4,可以看出结构体系右侧有变形,左侧变 形不明显,应为扭转变形,这个结果跟结构体系右侧布置单柱有关。
第三振型变形图见图5,这是正立面图,明显的看出是x向的平动. 下面表1是结构的周期及质量参与比例,第一周期uy占0. 61,为 y向平动周期,第二周期rz项绕z向转动的质量参与系数0. 8,大 于UX和uy,因此第二周期为扭转周期。第三周期UX占0. 83,为x 向平动周期。
下表2为桁架节点的位移结果,ul、u2、u3为x、y、z向的平动 位移,rl r2 r3为绕x、y、z轴的转动位移。z向最大位移为81mm。
结构的屈曲分析是厚度较小的大跨度空间结构体系整体(或局 部)构件稳定性的分析。结构失稳(屈曲)是指在外力作用下结构 的平衡状态开始丧失,稍有扰动变形便迅速增大,最后使结构破坏。 空间壳体结构设计时,稳定性有可能起到控制性作用,而非由强度 控制。
下表3为屈曲分析结果。程序的屈曲特征方程为:[k-入g(r)] V 二0。式中k—刚度矩阵,g(r)-荷载向量r作用下的儿何(p-5 ) 刚度,入一特征值对角矩阵,卩一对应的特征向量矩阵。特征值入 称为屈曲因了,在给定模式中,它必须乘以r中的荷载才能引起屈 曲,即屈曲荷载为屈曲因子与给定荷载的乘积。也可将入视为安全 系数:如入大于4. 2,给定的荷载是安全的,否则应修改设计防止 结构屈曲。
木表中最小的屈曲因了为19. 1和-24?3,即木结构在当前荷载下分 别乘以19.1和-24?3才会引起正向和反向的屈服,说明结构刚度足 够大,在当前荷载下是安全的。
三、杆件设计
运行分析工况后进行钢结构设计,程序可自动调节杆件大小以满 足内力及变形要求,根据程序生成的杆件截面再进行手动杆件优 化,最终管桁架柱主杆为4)245x16,柱腹杆为4)159x8,主桁架梁弦 杆为4)203x12,腹杆为?168x6,次桁架梁弦杆为4)168x6,腹杆为 1)83x4.设定杆件截面时,弦杆与主杆不应差别太大,以免弦杆侧 向支撑刚度不足造
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