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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