搜索
在建筑结构的设计过程中，我们经常会遇到管桁架结构项目，比如一些厂房、火车站的站台雨棚、体育场馆等，而且这些结构较常规结构跨度大、要求高，其整体强度、刚度和稳定性都对结构的整体力学性能起着重要作用，其中稳定性尤为重要。如何保障管桁架结构的整体稳定性，使其在设计使用年限内可以安全工作，这就必须充分考虑影响其稳定性的控制因素。本文以管桁架雨棚为例，从材料特性、结构计算系数和设计理念三个方面对其进行了简要分析。一、管桁架雨棚稳定性分析通过大量工程实例，可以看出结构材料对管桁架雨棚稳定性具有一定影响；而一旦材料确定后，结构的整体稳定性了就只能通过设计计算过程中计算系数的选取及设计理念等来控制。1.材料特性结构的初始缺陷可能会对结构的整体稳定性产生较大的影响，对轴心受压构件，其稳定性计算要求考虑构件的初弯曲(L/1000)及残余应力的影响[1]。而这些一般都是由圆钢材料及制造工艺造成的。钢材材料中硫、磷及碳元素的含量对钢构件性能影响巨大，因此设计时一定要严格选材，施工时一定要严格检验管材的质量。钢材的检验应包括钢材和管材产品合格证和材料的表面质量，其中表面质量检验中要注意不得有裂纹，不能忽视表面的锈蚀、麻点、划痕等，缺陷深度不得大于板材厚度负偏差值的1/2。入库钢材、管材按出炉号堆放。管材应有抗拉强度、屈服强度、伸长率和硫、磷含量的保证，对焊接结构用钢，尚应有含碳量的合格保证。这样经过详细检验之后，才能确保采用的钢材是合格的、符合规定的、能够确保工程质量的。管桁架结构是由圆钢焊接或螺栓连接而成，如果圆钢钢材出现问题，其他措施都无从谈起，管桁架结构的整体稳定性无法保证。2.计算系数选取空间三角形桁架受压弦杆平面外计算长度系数的影响因素：受压弦杆的长细比、受压弦杆与腹杆的线刚度比和腹杆夹角。其对平面外计算长度系数的影响如下：（1）受压弦杆长细比对计算长度系数的影响最大，弦秆与腹杆的线刚比Ix/If次之，而腹杆夹角0在30°～90°时，其对计算长度系数的影响最小。当弦杆长细比100≤≤160时，计算长度系数随着受压弦杆长细比的减小而增加，弦杆长细比从160减小到100时，计算长度系数大约增加了28％左右；（2）当弦杆长细比60≤＜100时，计算长度系数随着受压弦杆长细比的减小而减小，弦杆长细比从100减小到60时，计算长度系数大约减小了16％左右，说明弦杆长细比对计算长度系数的影响很大。（3）计算长度系数随着受压弦杆与腹杆的线刚度比的增大而增大。受压弦杆与腹杆的线阿H度比Ix/If从1增加到30时，值大约增加了18％，说明受压弦秆与腹杆的线刚度比Ix/If，对计算长度系数的影响较大。（4）计算长度系数随着腹杆夹角目的增大而减小。腹杆夹角从30°增加至90°时，值大约减小了0．7％，说明腹杆夹角在30°～90°时，对计算长度系数的影响很小，腹杆夹角在30°～90°范围内，基本可以忽略腹杆夹角对计算长度系数的影响。3.设计理念提高管桁架结构的整体稳定性所采取的设计理念一般从三方面着手：桁架弦杆与斜腹杆的节点设计、四叉撑杆与下弦杆相交处(桁架支座)的节点设计和四叉撑杆与柱顶连接的节点设计。本文仅从桁架弦杆与斜腹杆的节点设计和四叉撑杆与柱顶连接的节点设计两方面做简要介绍。（1）桁架弦杆与斜腹杆节点桁架弦杆与斜腹杆的节点是最普遍的节点，规范对其已有较为详尽的交代。值得注意的是：规范公式的使用条件是节点不存在任何偏心弯矩，为了符合规范的计算假定，钢管桁架的各杆件中心应尽可能在节点处汇交于一点。对空间管桁架，可以将偏心分成两种情况。一是桁架平面内偏心；一是桁架平面外偏心。对于桁架平面内偏心，因桁架平面内相邻两斜腹杆多为一压一拉杆，当杆间有间距时，主管将受到一个附加的偏心弯矩作用(受剪力不变)。当间距很小时，附加弯矩很小，对主管承载力的影响不大，只是焊缝受些影响。因此受力和施焊允许时可以不拉开。当拉开间距较大时其影响是不可忽略的。因此规范规定：当偏心0.25e／d-0.55时可以忽略偏心的影响；当偏心e／d-0.55或e／d0.25时，不可忽略其不平衡弯矩。处理办法是根据汇交于该节点各杆件的线刚度进行偏心弯矩的分配，公式表达如下：Mi=KiM／ΣKiKi=Esli／LiM=(N1一N2)e此时，各杆件为拉压弯构件，不再是单纯的轴心受力构件。由于实际设计中支管与主管的连接均可按铰接计算，因此可以将不平衡弯矩只在节点两侧的弦杆间进行分配。对于桁架平面外支管过密，因同一截面上不同方向的两根支管内力同号，将两杆拉开会有以下几点有利因素：首先相贯焊缝长度增长，对焊缝强度有利；其次支管对主管的冲切面增大，对抗冲切破坏有利；第三对提高主管壁的环向变形承载力有利。因此，如果平面外遇到两支管相碰时完全可以将两支管适当拉开。为避免上述情况出现，需注意如下情况：1、主管不宜选得过细；2、确定桁架几何尺寸和曲线形状时应对节点的相交情况进行充分考虑，3、从结构形式上讲，应尽量避免采用较多杆交于一点的节点形式，如在主管上附加焊上一个圆管等。（2）四叉撑杆与柱顶连接的节点设计此连接为空间连接，可供选择的连接方式有三种：一种是板式连接；一种是铸钢节点；一种是空心球节点。采用板式节点设计加工难度均较大，焊缝相互交叉重叠，加工精度不高也很不美观。采用铸钢节点安装精度要求较高，施工出现偏差时安装困难，成本较高。采用空心球连接节点对建筑造型来说不一定是一个完美的节点，但对于结构设计、加工制作乃至安装应该说是一个相当理想的连接方式，它回避了空间角度确定难题。因此，本设计采用半球节点。半球节点与整球节点的区别是：连接半球的平钢板对球体的水平变形有约束，受力上应比整球更有利。计算上可近似采用整球的办法。为便于施焊和确保质量，连于空心球上的两相邻杆件间的净距不宜小于15mm。为充分发挥加劲肋的作用，加劲肋应满足一定的构造要求：加劲肋高不小于1／4空心球直径；为防止加劲肋局部失稳，参考T型钢腹板等资料取h0／tw20；加劲肋与球壁内侧的焊缝可参考焊接H型钢标准。三、结束语管桁架雨棚在生产生活中的作用是不言而喻的，而其稳定性对整体结构的力学性能又起着举足轻重的作用，因此控制影响其稳定性的因素是非常重要的。本文中，我们从材料特性、计算系数的选取和设计理念三方面对影响建筑整体稳定性的因素进行了分析。从中我们知道，提高管桁架结构的整体稳定性，需要严格控制钢材的初始几何缺陷，在设计计算过程中应要严格按照有关标准，恰当地选取杆件的计算系数从而确定其计算长度，并采用合理的设计理念，提高结构中的整体稳定性，这样才能确保管桁架结构的整体力学性能，达到“安全、经济、适用”的目的。