桁架结构范文
时间：2023-10-06 05:55:27
桁架结构篇1
摘要：本文采用的分析手段是建立在理论分析和实际工程计算紧密结合的基础上的，所得出的结论具有一定的指导意义和工程应用价值，也为进一步探讨空间钢管桁架结构体系提供基础。
中图分类号： P424 文献标识码： A 文章编号：
前言
空间钢管桁架结构体系是大跨空间结构中的一个重要成员。郑州大学新校区体育馆由三组环向桁架、三组径向桁架和三组撑杆为主要构件组成，外环、外部径向桁架与中环构成结构的主要受力骨架，通过封闭外环的设计，使其形成一个受拉的环箍，限制了外部径向桁架滑动支座端的径向位移，从而减小了整个结构的竖向挠度，在此满足规范要求的同时，使结构用钢量达到最佳经济指标。该屋盖平面的水平投影为轴对称的花瓣形，在半径约7m和15m及处设置三道封闭的环桁架，沿径向设置24道空间桁架，并以环桁架为分界沿圆周方向错开布置，径向桁架被划分为外、中、内三部分。整个结构外观简洁，轻逸，受力合理，传力直观，整体性能好。对它进行探索有助于了解结构性能，指导设计施工，并为类似结构的应用提供依据。
1 管桁架结构概述
近年来，钢管结构不仅在海洋工程、桥梁工程中得到了广泛应用，而且在工业及民用建筑中的应用日益广泛，钢管结构在我国建筑结构中的应用也越来越多，如宝钢三期工程中采用方管桁架，吉林滑冰练习馆、哈尔滨冰雪展览馆、上海“东方明珠”电视塔和长春南岭万人体育馆均采用方钢管作为主要结构构件，广州体育馆屋盖采用了方钢管和圆钢管，上海虹口体育场采用圆钢管作为屋面承力体系，成都双流机场屋盖采用了圆钢管作为主要受力构件。在公共建筑领域，钢管结构中独特的结构形式层出不穷，如悉尼水上运动中心，美国迦登格罗芙水晶教堂；单层大空间建筑领域，除了在超级市场、货栈和仓库中继续广泛应用外，还出现了一些超大型结构，如新加坡章楦机场机库，大阪国际机场候机厅；另外还有轻型大跨结构，如人行天桥和起重机结构；其他特殊用途的结构，如天线桅杆和航天发射架等。2001年建成的建筑面积7250的北京植物园展览温室是国内首次采用相贯节点的曲线钢管桁架结构。钢结构用材为16Mn，钢管最大规格为299mmx12mm，钢结构总吨位720t。上海体育馆的膜结构屋盖主要由钢管相贯而成的32榀桁架、环梁组成，呈南北对称的马鞍形状，最大跨度288.4m，标高31.74-70.54m，主桁架最大钢管直径508mm，采用直接焊接K型节点。最长的悬挑梁74.162m，材料采用英钢50D。南京国际展览中心的二层展厅是一个长243m、宽75m的无柱大空间，屋面呈弧形，南北两端主入口各有15m悬挑，西侧又有14m悬挑。采用的是钢管拱架、檩架的结构方案。
2 钢管桁架结构的形式及特点
2.1 管桁架的分类:根据受力特性和杆件布置不同，可分为平面管桁结构和空间管桁结构。平面管桁结构的上弦、下弦和腹杆都在同一平面内，结构平面外刚度较差，一般需要通过侧向支撑保证结构的侧向稳定。在现有管桁结构的工程中，多采用Warren桁架和Pratt桁架形式，Warren桁架一般是最经济的布置，与Pratt桁架相比Warren桁架只有它一半数量的腹杆与节点，且腹杆下料长度统一，这样可极大地节约材料与加工工时。Vierendeel桁架主要应用于建筑功能或使用功能不容许布置支撑斜杆时的情况.
空间管桁结构通常为三角形截面，与平面管桁结构相比，它能够具有大的跨度，且三角形桁架稳定性好，扭转刚度大且外表美观。在不布置或不能布置面外支撑的场合，三角形桁架可提供较大跨度空间。一组三角形桁架类似于一榀空间刚架结构，且更为经济。可以减少侧向支撑构件，提高了侧向稳定性和扭转刚度。对于小跨度结构，可以不布置侧向支撑。
2.2 连接件的截面形式常用的杆件截面形式为圆形、矩形、方形等，按连接构件的不同截面可分为以下几种桁架形式：
C-C型桁架：即弦杆和腹杆均为圆管相贯的桁架结构；
R-R型桁架：即弦杆和腹杆均为方钢管或矩形管相贯的桁架结构；
R-C型桁架：即矩形截面弦杆与圆形截面腹杆直接相贯焊接的桁架结构。
2.3 桁架的外形
从桁架外形（即从弦杆类型来分）方面可分为：直线型与曲线型管桁结构。随着社会对美学要求的不断提高，为了满足空间造型的多样性，管桁结构多做成各种曲线形状，丰富结构的立体效果。当设计曲线型管桁结构时，有时为了降低加工成本，杆件仍然加工成直杆，由折线近似代替曲线。如果要求较高，可以采用弯管机将钢管弯成曲管，这样建筑效果更好。
2.4 管桁架的优点
钢管结构因其具有优美的外观、合理的受力特点以及优越的经济性，在现代工业厂房、仓库、体育馆、展览馆、会场、航站楼、车站及办公楼、商住楼、宾馆等建筑中得到了广泛的应用，如上海体育场、上海科技城、首都机场新航站楼、广州新白云及长航站楼、广州国际会展中心、上海新国际博览中心、南京国际会展中心、南京奥林匹克体育场、江苏省南通市体育会展中心等大型工程中均采用了钢管结构。工程实际表明，钢管结构既可以很好地满足建筑要求，又能够使结构达到安全、适用、经济等性能指标，符合钢结构的最新设计观念。
钢管截面具有一系列独特的优越性能，主要有以下几个方面：
①圆管和方管的管壁一般较薄，截面回转半径较大，故抗压和抗扭性能好。对称截面形式使得截面惯性矩对各轴相同，有利于单一杆件的稳定设计。截面的闭合提高了抗扭刚度，对板件局部稳定性而言，闭合截面也优于有悬挑板件的开口截面。在许多场合下，建筑师也愿意利用钢管外观简洁的特点表达其建筑意图。
②在截面积相同的型钢中，钢管外表面积最小，这就使得钢管与大气的接触面积最小，加之钢管往往会两端封闭，内部不会生锈，这就大大减少了防腐防火涂层的材料消耗和涂装工作量。而且钢管结构较易于清刷、油漆，故维护更为方便。
③钢管截面的流体动力特性好。承受风力或水流等荷载作用时，荷载对钢管结构的作用效应比其它截面形式结构的效应要低得多。
④钢管加工便利。随着多维数控切割技术的发展，钢管的相贯线切割已经不再是难题，国内许多钢结构加工厂家已经掌握了这项技术。
虽然就材料单价而言，钢管价格高于普通开口截面形式的型钢，但上述优点综合起来，钢管结构在众多结构形式中仍然是优先选用的基本结构形式之一。
结语：利用空间钢管桁架作为屋盖结构具有很多优点，不仅满足了本体育馆大跨度的要求，而且作为一种结构体系，它符合了大跨空间结构的发展需要，营造了美学与力学的完美结合的设计理念。此类结构形式得到了广泛的工程实践应用，具有强劲的发展势头。
参考文献
[1]龚云平.通用设计表达式中荷载与抗力分项系数的研究[D].西安建筑科技大学.2006年.
[2]顾建飞.预应力门式刚架的受力性能研究[D].浙江大学.2006年.
[3]蔡文琦.索膜结构的形态分析设计及静力性能研究[D].浙江大学.2006年.
[4]陈志平.大型非锚固储油罐应力分析与抗震研究[D].浙江大学.2006年.
[5]张磊.考虑横向正应力影响的薄壁构件稳定理论及其应用[D].浙江大学.2005年.
桁架结构篇2
关键词:大跨度;钢管桁架结构;屋盖结构;探析
前言
空间钢管桁架结构体系是大跨空间结构中的一个重要成员。郑州大学新校区 体育 馆由三组环向桁架、三组径向桁架和三组撑杆为主要构件组成,外环、外部径向桁架与中环构成结构的主要受力骨架,通过封闭外环的设计,使其形成一个受拉的环箍,限制了外部径向桁架滑动支座端的径向位移,从而减小了整个结构的竖向挠度,在此满足规范要求的同时,使结构用钢量达到最佳 经济 指标。该屋盖平面的水平投影为轴对称的花瓣形,在半径约7m和15m及处设置三道封闭的环桁架,沿径向设置24道空间桁架,并以环桁架为分界沿圆周方向错开布置,径向桁架被划分为外、中、内三部分。整个结构外观简洁,轻逸,受力合理,传力直观,整体性能好。对它进行探索有助于了解结构性能,指导设计施工,并为类似结构的应用提供依据。
1. 管桁架结构概述
近年来,钢管结构不仅在海洋工程、桥梁工程中得到了广泛应用,而且在 工业 及民用建筑中的应用日益广泛,钢管结构在我国建筑结构中的应用也越来越多,如宝钢三期工程中采用方管桁架,吉林滑冰练习馆、哈尔滨冰雪展览馆、上海“东方明珠”电视塔和长春南岭万人体育馆均采用方钢管作为主要结构构件,广州体育馆屋盖采用了方钢管和圆钢管,上海虹口体育场采用圆钢管作为屋面承力体系,成都双流机场屋盖采用了圆钢管作为主要受力构件。在公共建筑领域,钢管结构中独特的结构形式层出不穷,如悉尼水上运动中心,美国迦登格罗芙水晶教堂;单层大空间建筑领域,除了在超级市场、货栈和仓库中继续广泛应用外,还出现了一些超大型结构,如新加坡章楦机场机库,大阪国际机场候机厅;另外还有轻型大跨结构,如人行天桥和起重机结构;其他特殊用途的结构,如天线桅杆和航天发射架等。2001年建成的建筑面积7250的北京植物园展览温室是国内首次采用相贯节点的曲线钢管桁架结构。钢结构用材为16Mn,钢管最大规格为299mmx12mm,钢结构总吨位720t。上海体育馆的膜结构屋盖主要由钢管相贯而成的32榀桁架、环梁组成,呈南北对称的马鞍形状,最大跨度288.4m,标高31.74-70.54m,主桁架最大钢管直径508mm,采用直接焊接K型节点。最长的悬挑梁74.162m,材料采用英钢50D。南京国际展览中心的二层展厅是一个长243m、宽75m的无柱大空间,屋面呈弧形,南北两端主入口各有15m悬挑,西侧又有14m悬挑。采用的是钢管拱架、檩架的结构方案。
2. 钢管桁架结构的形式及特点
2.1 管桁架的分类:根据受力特性和杆件布置不同,可分为平面管桁结构和空间管桁结构。平面管桁结构的上弦、下弦和腹杆都在同一平面内,结构平面外刚度较差,一般需要通过侧向支撑保证结构的侧向稳定。在现有管桁结构的工程中,多采用Warren桁架和Pratt桁架形式,Warren桁架一般是最经济的布置,与Pratt桁架相比Warren桁架只有它一半数量的腹杆与节点,且腹杆下料长度统一,这样可极大地节约材料与加工工时。Vierendeel桁架主要应用于建筑功能或使用功能不容许布置支撑斜杆时的情况。
2.2 连接件的截面形式常用的杆件截面形式为圆形、矩形、方形等,按连接构件的不同截面可分为以下几种桁架形式:
C-C型桁架:即弦杆和腹杆均为圆管相贯的桁架结构;
R-R型桁架:即弦杆和腹杆均为方钢管或矩形管相贯的桁架结构;
R-C型桁架:即矩形截面弦杆与圆形截面腹杆直接相贯焊接的桁架结构。
2.3 桁架的外形
从桁架外形(即从弦杆类型来分)方面可分为:直线型与曲线型管桁结构。随着社会对美学要求的不断提高,为了满足空间造型的多样性,管桁结构多做成各种曲线形状,丰富结构的立体效果。当设计曲线型管桁结构时,有时为了降低加工成本,杆件仍然加工成直杆,由折线近似代替曲线。如果要求较高,可以采用弯管机将钢管弯成曲管,这样建筑效果更好。
2.4 管桁架的优点
钢管结构因其具有优美的外观、合理的受力特点以及优越的经济性,在 现代 工业厂房、仓库、体育馆、展览馆、会场、航站楼、车站及办公楼、商住楼、宾馆等建筑中得到了广泛的应用,如上海体育场、上海科技城、首都机场新航站楼、广州新白云及长航站楼、广州国际会展中心、上海新国际博览中心、南京国际会展中心、南京奥林匹克体育场、江苏省南通市体育会展中心等大型工程中均采用了钢管结构。工程实际表明,钢管结构既可以很好地满足建筑要求,又能够使结构达到安全、适用、经济等性能指标,符合钢结构的最新设计观念。
钢管截面具有一系列独特的优越性能,主要有以下几个方面:
①圆管和方管的管壁一般较薄,截面回转半径较大,故抗压和抗扭性能好。对称截面形式使得截面惯性矩对各轴相同,有利于单一杆件的稳定设计。截面的闭合提高了抗扭刚度,对板件局部稳定性而言,闭合截面也优于有悬挑板件的开口截面。在许多场合下,建筑师也愿意利用钢管外观简洁的特点表达其建筑意图。
②在截面积相同的型钢中,钢管外表面积最小,这就使得钢管与大气的接触面积最小,加之钢管往往会两端封闭,内部不会生锈,这就大大减少了防腐防火涂层的材料消耗和涂装工作量。而且钢管结构较易于清刷、油漆,故维护更为方便。
③钢管截面的流体动力特性好。承受风力或水流等荷载作用时,荷载对钢管结构的作用效应比其它截面形式结构的效应要低得多。
④钢管加工便利。随着多维数控切割技术的 发展 ,钢管的相贯线切割已经不再是难题,国内许多钢结构加工厂家已经掌握了这项技术。
结语:利用空间钢管桁架作为屋盖结构具有很多优点,不仅满足了本 体育 馆大跨度的要求,而且作为一种结构体系,它符合了大跨空间结构的发展需要,营造了美学与力学的完美结合的设计理念。此类结构形式得到了广泛的工程实践应用,具有强劲的发展势头。
参考文献
[1]屈桂林.奥运“道”场里的科技之光[N].中华建筑报.2007年.
桁架结构篇3
关键词：高层建筑结构；转换层；转换桁架；结构抗震分析。
1. 高层结构转换层的简介
带转换层结构设计概念最初是由前苏联和东欧的学者于五、六十年代提出，他们提出了柔性底层房屋的方案即是上部各层为剪力墙，下部为框架的结构体系，这也是首次通过设置转换层而取得底层大空间的尝试；但是，实践表明柔性底层房屋并不具有人们所期望的隔震、抗震能力，底层框架柱不能承受过大变形，在地震中容易破坏而使整座建筑物倒塌。我国在这方面的研究及实际工程应用始于70年代中期，1975年首先在上海天日路建成一栋13层底层大开间框架上部剪力墙的住宅，并对其进行了现场应力实测、光弹性试验、钢筋混凝土模型试验及框支剪力墙有限元分析等一系列研究。这些研究为底部大空间剪力墙结构的整体刚度和楼层相对刚度的选择和控制，提供了试验和理论上的技术依据。
1.1 高层结构转换层的分类
随着高层建筑的发展，因建筑功能需要下部大空间，上部部分竖向构件不能直接连续贯通落地而在高层建筑中设置转换层。转换结构一般可归纳为4种基本形式：梁式、桁架式、箱形、厚板。
2 高层建筑桁架转换层结构
2.1 桁架转换层结构的受力分析
转换桁架主要用于承受竖向荷载，转换桁架的受力特征主要表现为竖向荷载作用下的受力规律。转换桁架的工作机制可视为由多根截面较大的弦杆(梁)共同承担上部荷载的工作机制，各腹杆改变了竖向荷载的传力方向和位置，起卸载作用。根据桁架腹杆的分布情况的不同，高层建筑转换桁架的结构形式主要有：空腹桁架、斜杆桁架、交叉桁架：但由于转换桁架承受的竖向荷载往往是相当大的，有时上部较高的荷载，单层的转换桁架在计算上无法满足结构要求，此时就必须设置双层或多层的转换桁架结构，即叠层桁架转换体系，当然还包括由于建筑立面美观或结构简化受力的目的而采用的无竖腹杆的交叉斜杆桁架；以及由于桁架受力较大，为更好的保证桁架端部与柱的锚固及减小桁架端部柱的内力，实际工程中往往将桁架体系伸过所要转换跨的下一跨。
3 高层建筑转换桁架的设计原则及构造要求
1.带桁架转换层的结构应按“强化转换层及其下部、弱化转换层上部”的原则，使转换层上下主体结构的侧向刚度尽量接近，平滑过渡。
2．将转换桁架置于整体空间结构中进行整体分析。此时，腹杆作为柱单元，上、下弦杆作为梁单元，按空间协同工作或三维空间分析程序计算整体的内力和位移。计算时，转换桁架按实际杆件布置参与整体分析，但上、下弦杆的轴向刚度、弯曲刚度中应计入楼板的作用。整体结构计算需采用两个以上不同力学模型的程序进行抗震计算，还应进行弹性时程分析并宜采用弹塑性时程分析校核。
3．带钢桁架转换层的结构设计中应按转换层“强斜腹杆，强节点”：桁架转换层上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则，以保证转换层的结构具有较好的延性，确保塑性铰在梁端出现，能够满足工程抗震的要求。
4．换桁架的弦杆相邻位置设置边梁使其受力更为合理。如果在布置转换桁架弦杆的二、三、四层的弦杆相邻位置设置一根边梁，保证与桁架相邻的楼面的荷载通过与桁架节点相连的横梁以集中力的形式传递至桁架的节点上，这样可以使转换桁架的弦杆受力特点更与普通的桁架一致，即弦杆的受力形态以轴力为主，尽量减少弦杆受到弯矩作用，特别是平面外弯矩的作用，使转换桁架的受力更为合理。
5．转换钢桁架的下弦钢骨混凝土部分后浇使型钢钢骨预先受力。由于桁架下弦为主要受轴向拉力作用的构件，在计算中我们主要以型钢构件输入进行计算，而在实际的设计中为了使下弦杆与周边的梁与板更好的连接，设计人员将下弦枰设计成为以型钢为钢骨的钢骨混凝土。在轴向拉力的作用下，由于钢的极限拉应变远大于混凝土的极限拉应变(钢筋的极限拉应变将达001)，为了使型钢钢骨预先受力、混凝土内的裂缝开展较小，设计时采取了下弦杆混凝土后浇的做法。这样，当上部较大荷载作用至转换桁架时，下弦的型钢受到较大的拉力，产生了相当的拉应变，然后在浇筑混凝土时，型钢内增加的拉应力相对有限，大大的减缓了混凝土内裂缝的开展。
6．《高层混凝土结构技术规程》规定转换层结构的楼板厚度不宜小于180mm。并配置双层钢筋，而在前面的分析中我们已经知道，当弦杆考虑板的作用时，对转换桁架的受力更为有利。这一方面可以使设计人员在建筑的限定梁高的情况下充分加大弦杆的刚度：另一方面作为转换桁架弦杆平面外稳定最有力的支撑和保障构件，加厚楼板后可以更好的保证桁架弦杆的平面外的稳定。另外，结构的水平力传递主要依靠楼板和转换构件，因此楼板和转换构件都要承受较大的剪力，并且有一个交互和传递的过程，如果转换桁架的弦杆仅有一侧的楼板可以相连，可以加厚与之相连楼板的板厚，这样更好的保证转换桁架上的水平力向转换层楼层平面内转移，使转换层的整体受力更加均匀。
4 高层结构的抗震分析方法
除特殊规定外，建筑结构应进行多遇地震作用下的内力和变形分析，此时，可假定结构与构件处于弹性工作状态，内力和变形分析可采用线性静力方法或线性动力方法。规则且具有明显薄弱部位可能导致地震时严重破坏的建筑结构，应按规范有关规定进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。此时，可根据结构特点采用静力弹塑性分析或弹塑性时程分析方法。
模态分析用于确定设计结构的振动特性，即结构的固有频率与振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也是后面要进行的谱分析和动力时程分析的前期分析过程。
非线性静力分析(pushover)法是一种简化的非线性地震反应评估方法。其基本原理是：在结构分析模型上施加按某种方式分布的荷载(如均匀荷载，倒三角荷载，一阶振型荷载等)模拟地震水平惯性力，并逐级按比例增大，直到结构达到预定的状态(位移超限或位移达到目标位移)，然后评估结构的性能。它没有严密的理论基础，基于两个假定：(1)结构的地震反应受单一振型控制，可以忽略高阶振型的影响，因此多自由度体系可以等效为单自由度体系；(2)控制结构地震反应的振型不发生变化。显然，对于大多数结构，这两个假定都无法满足，但是它提供了一个评估结构地震反应尤其是非线性地震反应的简单而有效的方法，该分析法能追踪结构从屈服直到极限状态的整个非弹性变形过程。许多学者的研究表明，对于短周期和响应为一阶振型为主的结构，利用上述两个假定来预测其地震峰值响应，能得到令人比较满意的结果。同一般的非线性静力分析方法相比，pushover分析法有以下特点：(1)pushover分析需要预先假定一个荷载分布模式，这同一般的非线性静力分析确定的外荷载不一样。(2) pushover分析需要预先确定同结构性能相关的位移极限，如屈服位移、倒塌破坏极限位移等。(3) pushover分析的结果是特征荷载和特征位移之间相互作用的曲线。(4) pushover分析还需要同能谱分析相结合，以完成最终对结构性能的评估。
2000年Balram Gupta,M.EERI,和Sashi K.Kunnath提出了改进的基于反应谱理论的pushover分析法，与传统的pushover分析法相比该方法的不同之处在于：(1)现行的方法采用某一特征场地的反应谱定义加载模式；(2)随着结构动力特性的改变所加的荷载大小也随之改变。改进的适应谱pushover分析法的基本步骤如下：
建立结构的数学模型
确定结构中不同单元的非线性力-位移关系，即确定初始刚度，屈服弯矩和屈服后刚度。
求解特定场地下的有阻尼弹性反应谱。
求解结构体系的周期和振型向量和振型参与系数。
其中：第j阶振型的振型参与系数
第i个质点在j阶模态下的位移
第i个质点的重量
N层数
计算n个模态下的力分布模式：
其中：第j阶模态下第i个质点的恢复力
第j阶模态的加速度反应谱值
6）.求解各阶模态下的基底剪力并按SRSS(或CQC法)组合得到基底总剪力：
7）.将各层所受的力按系数均匀增大：
其中：
，结构所受基底剪力的估计值； 需要施加的荷载步
8）.逐级施加荷载进行静力分析。
9）.计算单元力，位移，层间位移，转角等
10）.在每一荷载步计算结束后检查单元内力是否超过屈服值。当任何一个单元屈服后须重新计算单元刚度矩阵。
11）.重复以上步骤直至达到最大基底剪力或最大层间位移。
为便于对相关分析结果进行对比，桁架转换层高层建筑拟采用Gupta等人提出的改进的pushover分析法的基础上做适当的改进。采用这样的方法能比较好的形成对比与掌握分析过程。
5 展望
由于时间和水平有限，本文需要解决的问题还有很多，为了深入研究此类带桁架转换层结构的抗震性能，仍有以下工作值得开展：
(1)竖向地震作用对此类带转换层的高层结构有一定影响，值得深入探讨。
(2)对于静力弹塑性推覆分析，如何合理的选取水平荷载模式，在理论和实际应用中，仍需进一步研究。
(3)在罕遇地震作用下，用弹塑性时程分析会得到比较精确的结果，但由于弹塑性时程分析计算复杂，特别是对这类桁架转换层结构。其工作量非常大，具体实施起来较为困难。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家标准(GB50011-2001),建筑抗震设计规范.中国建筑工业出版社,2001．
[2] 中华人民共和国行业标准(JGJ3-2002),高层建筑混凝土结构技术规.中国建筑工业出版社2002．
[3] 廖红兵,带高位转换层的高层结构抗震设计及性能分析[d],重庆大学,2006.
[4] 陈清军,李婷婷.带钢桁架转换层高层结构的抗震性能研究[d],同济大学,2009.
桁架结构篇4
【关键词】桁架；结构力学；钢结构设计；静力分析
0.引言
带式输送机在散状物料运输中应用普遍，桁架作为带式输送机的支撑钢结构，可以跨越道路、河流、山坡、凹地等地形和路况。为带式输送机的架设，提供了便利的条件，从而减少了地平标高对带式输送机沿线的影响。由于系统的要求和工艺设备的改进，钢结构桁架正朝着大跨度，、轻量化方向发展。
1.计算依据及气候条件
1.1计算依据
钢结构设计规范（GB50017-2003）
建筑结构荷载规范（GB50009-2001）
建筑抗震设计规范（GB50011-2001）
1.2气候条件
（1）温度多年最高温度42°C，多年最低温度8.1°C。
（2）风速盛行风风速3.6kmh（最大），最大风速39ms。
（3）降水年平均降水2177毫米，最大降雨强度900mm/天，正常降雨期6月至9月。
2.桁架结构与力学模型
桁架一般由上下弦杆，位于两榀的腹杆、斜支撑，上下平面横连、斜支撑以及屋盖结构、外装组成。桁架还要为电缆桥架和辅助专业管线的铺设提供合理的空间和托架。常用桁架跨度为12m～13m。
上下弦杆一般采用焊接H型钢，应沿着弦杆全长于腹杆中心线处设置加劲肋。端竖杆一般采用宽翼缘焊接H型钢，并使截面强轴平行桁架跨度方向。斜支撑采用两个热轧等边角钢组合截面十字形连接，并通过连接板与上下弦杆、横连、腹杆相连的形式。
计算载荷及工况组合。
计算载荷种类：
（1）结构自重：转运站钢结构重量。
（2）部件重量：转运站上所安装的胶带机的部件重量。
（3）物料载荷。
（4）设备重量。
（5）皮带机输送带的张力。
（6）廊道作用力：转运站支撑的廊道作用力。
（7）风载。
（8）地震载荷。
（9）堵料荷载。
（10）活荷载：考虑转运站上。
载荷组合：按七种工况组合。
计算用载荷种类：
DL——恒荷载，LD——活荷载，WL——风荷载，TL——温度荷载，SL——地震作用
载荷组合：
相关数据。
风载：盛行风风速3.6kmh（最大），设计风速39mS
地震载荷：地震烈度7度，场地类别Ⅰ类，特征周期0.30S。
温度荷载：最高温度42度，最低温度8度，整个结构的温度分布均匀的。
材料线膨胀系数为β=1.2×10。
材料特性：
桁架结构采用Q235B，弹性模量E为210Gpa，泊松系数为0.3，密度均为7.85×10kg
m。这两种钢材的屈服应力及破坏应力σb如表1所示。
表1 钢材的力学特性
设计指标：Q235钢材强度设计值：f=215N
mm ，构件变形许用值：1/600。
3.结构计算力学模型
结构类型：空间桁架。桁架钢结构是由多种型钢杆件和钢板组合成的空间结构，受有三维方向的力和弯矩作用，根据结构特点和受力情况， 计算时各杆件均等效为三维弹性梁单元。桁架钢结构通过下弦杆两端用螺栓与支撑联接，有限元分析时将与支撑联接点约束，一侧约束X、Y、Z三个方向的线位移，另一侧约束Y、Z二个方向的线位移。图2是桁架计算模型图。
桁架自重加载由程序完成。
胶带，上、下托辊，中间架重量均布在桁架下平面上。
电缆槽架重量作用在腹杆上。
屋顶外装，侧面外装均布在桁架上平面。
3.2可变荷载
承载段=（物料质量+胶带质量+上托辊转动部分质量）g×0.022=（300+90+30.21）×g×0.022=92m
回程段=（胶带质量+下托辊转动部分质量）×g×0.022=（90+13.1）×g×0.022=23NM
总计运行阻力（92-23）×30=2070N均布在托辊支撑点。
3.3风荷载
4.计算结果分析
4.1强度
通过ANSYS分析，得出了桁架结构各种荷载组合的全部构件截面特性、内力、强度计算应力和构件稳定性校核应力。全部构件工作应力均小于设计值。
4.2刚度
桁架垂直方向最大变形27mm，水平方向最大变形18mm，结构刚度满足要求。图3是桁架垂直方向变形图，图4是桁架水平方向变形图。
5.工程实例
M7C-A/B带式输送机全长2.56公里，双路并行，沿线布置了40个钢结构桁架，上翻形式，共计6种长度。通过ANSYS分析，合理选择截面型材，优化设计，降低成本。
6.结语
钢结构桁架的设计即要考虑安全可靠性，又要有经济性、合理性。因此要求桁架具有足够的强度、刚度及稳定性。考虑到铁路公路运输的界限要求，将桁架每榀分段设计制作，分片运输，上下平面现场栓接的形式，尽量减小运输途中的变形量。 [科]
【参考文献】
[1]GB 50017-2003.钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.
[2]汪一骏等.钢结构设计手册[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.
桁架结构篇5
[关键词]大跨度 巨型桁架 整体提升 提升平台设计 下吊点设置
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
集群千斤顶液压整体提升技术是近年来在我国施工行业逐步发展起来的新兴的大型构件整体安装技术，多采用“钢绞线悬挂承重、液压提升千斤顶集群、计算机控制同步”的方法。该技术已成功地应用到国内影响较大的代表性、标志性工程当中。由于该技术的巨大提升能力及优越性能，因而受到工程界的广泛关注，并被建设部列为重点推广的建筑业施工新技术。这种新颖的起重技术在长距离、大吨位提升方面的特点和优越性，是传统的卷扬机钢丝绳滑轮组起重技术不能比拟的。
2 工程概况
上海张江集电港综合展览中心地下1层，地上五层，建筑高度23.1米，为外框钢框架支撑+屋面大跨度巨型钢桁架结构，见图1。屋面大跨度巨型钢桁架主要包括南北方向3榀，分布在8轴、10轴、12轴，间距16.80m，桁架跨度58.8m，高度10.139m，上弦杆表面标高为23.139m。3榀大跨度巨型桁架支承在周边钢框架柱上（截面口1500x1500x40x40），支座为抗震球形钢支座。3榀巨型桁架及之间的连梁重1750t。
图1 结构剖面图
3 工程特点及难点
结合该工程大跨度、巨型桁架的特点，通过对各种施工方案对比分析，选用整体提升进行施工。施工难点主要包括以下几个方面：
① 通过对整个提升体的提升过程验算，周围钢框架结构存在超应力杆件需临时加固；② 大跨度屋盖结构为全焊接连接，杆件截面大，板件厚，焊接工作量大；③ 巨型桁架跨度58.8m，高10.643m，跨度大，高度高，安装难；④ 巨型桁架地面组装过程中应考虑预起拱，根据设计要求，桁架下弦起拱高度最大值40mm；⑤ 工程体量较大，施工工期非常紧，如何在合同工期保质保量的完成工程的施工，是本工程的重点之一；⑥桁架采用整体提升，同步控制是重点。
4 方案优点
整体提升目前已广泛适用于现代钢结构施工中，其优点有：①主要的拼装、焊接及油漆等工作在拼装胎架上进行，施工效率高，施工质量易于保证；②提升单元上的附属次结构件可在地面安装或带上，可最大限度地减少高空吊装工作量，缩短安装施工周期；③采用“液压同步提升施工技术”吊装屋面钢结构，技术成熟，有大量类似工程成功经验可供借鉴，吊装过程的安全性有保证；④液压提升设备设施体积、重量较小，机动能力强，倒运和安装方便；⑤提升上吊点等临时结构利用巨型桁架预装段和钢框架结构设置，加之液压同步提升动荷载极小的优点，可以使提升临时设施用量降至最小。
5整体提升施工工艺
5.1提升吊点设置
屋盖钢结构单元主要由3榀巨型桁架及连梁组成，桁架两端支承在框架柱GJZ07顶端。由于框架柱GJZ07与周围钢框架联系在一起形成稳定的受力体系，因此提升吊点利用框架柱GJZ07顶部桁架上弦杆先装段设置，见图2。提升吊点设置位置的后方用临时斜向拉杆与下一层框架立柱连接，起到平衡提升附加弯矩的作用，使得提升附加弯矩由整个钢框架共同承担。
图2 提升吊点布置
5.2、提升平台设计
提升平台的设置非常关键，直接影响到结构提升的质量和安全。本项目利用巨型桁架上弦杆先装段，对其两侧局部上翼缘加宽，并设置竖向加劲板，形成对称布置的两个提升临时牛腿为提升平台。上弦杆内部对应位置用钢板加固。液压提升器安装在临时牛腿上，提升专用钢绞线通过牛腿上翼缘开孔穿过，见图3。
5.3、提升下吊点设置
与上吊点提升平台的设计方法一样，在巨型桁架下弦杆靠近下翼缘的位置设置临时牛腿结构，与上吊点中心线对应。提升下吊点专用地锚结构安装在临时牛腿结构下表面。专用钢绞线连接在液压提升器和提升地锚之间，两端分别锚固，用于直接传递垂直提升反力。提升下吊点设置型式如图4所示：
图3 提升下吊点剖面图图4 提升平台剖面图
5.4 提升方案设计
本屋面大跨度桁架结构采用整体提升施工方案，提升高度19.03m，根据工况所需钢结构提升过程中做3次空中停留，具体步骤如下：
第一步：巨型桁架及之间结构在设计安装位置正下方、地下室底板胎架上散件拼装成整体提升单元；同时安装提升专用平台及在其上安装液压同步提升系统设备；
第二步：在与上吊点垂直对应的巨型桁架下弦杆上设置提升用下吊点，并对下吊点附近进行局部加固处理；并安装钢绞线将提升平台上的液压提升设备与对应下吊点连接。
第三步：液压提升系统预加载，整体提升屋面钢结构单元离开拼装胎架200mm高度，空中停留、观测约12小时；
第四步：在确保提升系统设备、临时设施（提升平台、下吊点及加固措施）及永久结构（框架结构、屋面提升单元）等安全的情况下，继续同步提升屋面钢结构单元见图5；
第五步：屋面桁架单元提升至设计标高附近，对其空中姿态进行微调，再进行巨型桁架各层弦杆对口、焊接；
第六步：安装巨型桁架两端斜腹杆后装段，使巨型桁架结构与两侧已安装巨型桁架分段形成整体稳定受力体系；
第七步：液压提升系统同步卸载作业，至钢绞线完全松弛，使屋面钢结构单元自身重量转移到巨型桁架两端支座上；
图5桁架提升过程中
5.5分级加载
通过试提升过程中对桁架结构、提升设施、提升设备系统的观察和监测，确认符合模拟工况计算和设计条件，保证提升过程的安全。初始提升时各吊点提升器伸缸压力应缓慢分级增加，最初加压为所需压力的40%， 60%，80%，90%，在一切都稳定的情况下，加到100%，即桁架试提升离开拼装胎架。在分级加载过程中，每一步分级加载完毕，暂停并检查上吊点平台（牛腿、斜拉杆）、下吊点等加载前后的变形情况，以及钢框架柱的稳定性等情况。待一切正常，继续下一步分级加载。
当分级加载至桁架即将离开拼装胎架时，可能存在各点不同时离地的情况，此时应降低提升速度，并密切观查各点离地情况，必要时做“单点动”提升，确保桁架离地平稳，各点同步。
6液压提升系统配置
液压同步提升承重系统主要由液压提升器、提升地锚和专用钢绞线组成。结合以往提升经验及桁架受力特性，在每榀桁架每端均设置2台提升器，见图6。本工程中，钢桁架模拟提升工况计算得出各吊点提升反力最大约为380吨，最小约310吨。据此配备12台YS-SJ-400规格的液压提升器，配置4台YS-PP-60型液压泵源系统，南北两面各2台。
图6 液压提升器
7计算机同步控制
为确保钢桁架结构及周围框架结构提升过程的安全，采用“吊点油压均衡，结构姿态调整，位移同步控制，分级卸载就位”的同步提升和卸载落位控制策略，具体操作如下：12个同步提升吊点处均设置一套位移同步传感器，计算机控制系统根据这12套传感器的位移检测信号及其差值，构成“传感器－计算机－泵源比例阀－液压提升器－钢桁架结构”闭环系统，控制整个提升过程的同步性。每一吊点处的液压提升器并联，使这些吊点以恒定的载荷力向上提升，保证桁架整个提升过程的同步性。
8 结论
1）本工程的整体提升充分利用了周围钢框架柱结构设置提升平台，安全可靠，并利于施工成本的控制；
2）对于提升下吊点等重要构件要进行有限元局部应力验算，保证传力合理，变形可控，为是否进行局部加固或扩大应力范围提供依据；
3）根据本工程构件大、跨度大的特点，采用集群千斤顶液压整体提升技术施工，安全、高效，比原定工期缩短20天，并确保了工程质量，同时为此类大跨度桁架屋盖结构的施工提供了一定的参考。
参考文献
[1]吴欣之. 现代建筑钢结构安装技术[M]. 北京：中国电力出版社，2008.
桁架结构篇6
Abstract： By ANSYS software， the push-over method was applied to analyze the seismic performance of a high-rise steel frame-supported staggered truss structure system under different lateral load patterns. The failure mode and plasticity hinge developing processing of the high-rise steel structure-supported staggered truss structure system were obtained under rare earthquake.
关键词： 框支交错桁架；ANSYS；push-over分析；破坏模式；塑性铰
Key words： frame-supported staggered truss structure；ANSYS；push-over；failure mode；plastic hinge
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）21-0109-04
0 引言
框支交错桁架结构是一种实用、经济、高效的新型组合钢结构体系。该体系通过转换层把下部的框架结构和上部的交错桁架组合起来，充分发挥交错桁架[1-5]和框架结构的优点[6-9]。由于框支交错桁架在结构性能上的特殊性，既不同于框架结构或框架支撑结构，也不同于纯交错桁架结构，目前对于该新型结构在抗震方面的研究较少。
本文采用静力弹塑性分析方法对框支交错桁架结构进行推覆分析，了解结构各构件承载力之间的相互关系，分析得出结构在强震作用下的破坏机制、各塑性铰的出铰顺序，找到结构薄弱环节，并对比拟动力试验研究[10]成果加以验证。
1 静力弹塑性分析方法
静力弹塑性分析法，也称推覆分析法（Pushover）[11-13]，是目前被广泛应用的一种评估结构抗震性能的简化方法，美国的ATC-40，MA273/274和欧洲的EC3中已将其纳入抗震规范，我国的《建筑抗震设计规范》（GB 50011- 2010）也推荐了该方法。
静力弹塑性分析优点[14-16]在于：能够确定结构在罕遇地震下潜在的破坏机制，找到最先破坏的薄弱环节；相对于弹塑时程分析，可以获得较为稳定的分析结果，减少分析结果的偶然性，同时大大节省了分析时间和工作量。
Pushover分析方法本质[13]是将结构按一定的变形模态转化为等效单质点体系的反应谱分析法。通过对结构施加反应地震作用的静态水平分布力，逐步增加荷载，使结构逐渐进入塑性，直到达到目标位移或接近破坏倒塌为止，从而得到结构的抗震性能以及破坏机理。本文采用4种经典侧向水平加载模式：均匀加载、倒三角形加载、沿高度等效加载和SRSS振型叠加加载模式[17]来分析框支交错桁架结构的破坏模式。
2 实例分析
2.1 实例模型
本文选取设计尺寸、布局具有一定的代表性的15层框支交错桁架拟动力试验模型（国家自然科学基金项目（50878215））为实例。模型共5榀，纵向柱距6m，横向21m。1～2层为框支层，层高4.5m；3层为桁架转换层，4～15层为单纯混合式交错桁架布置形式，层高均为3m，总高48m。全部钢构件使用Q235方钢管，采用全截面焊接连接，楼板混凝土使用C30，1～4层厚200mm，其他层厚150mm。几何尺寸如图1。
2.2 ANSYS有限元推覆分析步骤
2.2.1 定义单元类型
采用beam188模拟钢梁、钢柱及桁架构件，shell63模拟混凝土楼板，合并两个构件相同位置节点的方法实现节点全部刚接。结构阻尼采用经典Rayleigh阻尼，阻尼比为5%[18]。
2.2.2 定义材料特性、实常数和几何建模
钢材选用经典双线性随动强化模型（BKIN），屈服强度为■，弹性模量206000泊松比为v=0.3。
2.2.3 施加荷载
竖向荷载为1.2Ge+0.35Qk，Ge为恒荷载标准值，Qk为活荷载标准值。水平荷载采用El-centro（NS）波换算8度罕遇地震反应谱求得的结构基底剪力乘以不同加载模式下的水平加载系数得到沿结构高度分布的水平荷载。本文中计算所采用的四种加载模式下的各层水平加载系数如表1所示。
2.2.4 定义求解选项（静力弹塑性）
选择NLGEOM，ON，以考虑模型的几何非线性和材料非线性。采用稀疏矩阵直接求解器（Sparse Direct）对联立方程组进行求解。
3 静力弹塑性分析结果
3.1 塑性铰分布
图2为结构在破坏模式下的塑性铰分布。从图中可以看出，结构的塑性铰主要产生在斜腹杆上，其次是框支撑，桁架空腹弦杆上也伴随少量塑性铰。这是由于在横向分布力作用下，结构中剪力主要由斜腹杆和框架支撑承担，随着侧向位移的增加，楼层剪力越来越大，靠近空腹节间位置斜腹杆最先产生塑性铰，并逐渐扩散，最终塑性铰主要集中在4～7层靠近空腹节间位置。由于推覆分析是单向加载方式，结构塑性铰分布不完全对称。
3.2 塑性铰的发展顺序
为研究结构杆件塑性铰的发展顺序以及薄弱杆件承载力之间的相互关系，本文提取SRSS振型叠加加载的推覆模式作用下出现塑性铰杆件的弯矩―顶点位移曲线（塑性变形较大的结构一侧，见图3）。由图可知，位移为0.125m时，在第2、4榀第5、7层的第3节间斜腹杆上首先出现塑性铰，并逐渐发展到第3榀第6层。由于结构体系的空间协调作用，随着侧向位移加大，第1、3、5榀第6层第3节间斜腹杆相继出现塑性铰。位移为0.175m时，结构塑性变形向四周快速发展，第4、8、9层斜腹杆及第2层框支撑相继出现塑性铰。随着结构位移的增大，塑性铰继续发展，产生塑性铰构件的承载力逐渐下降，并随之退出工作，结构出现明显的内力重分布现象，第1层框支撑出现塑性铰，5、7层空腹弦杆出现少量塑性铰。位移为0.225m时，大批腹杆出现塑性变形，主要集中在4-7层，最后塑性铰出现在柱脚，结构开始失稳并发生整体破坏。
由各屈曲杆件弯矩―顶层位移图可知，杆件屈曲呈现分批现象，内力重分布明显。塑性铰主要分布在第三节间斜腹杆上，说明第三节间斜腹杆是主要耗能构件；边侧斜腹杆出现的塑性铰较少，且承受极限弯矩值是靠近空腹节间斜腹杆弯矩值得1/2左右，说明边侧斜腹杆承载力未充分发挥；第二层框架支撑弯矩值是斜腹杆弯矩承载力的2倍左右，设计时要注重底部框架支撑的承载力及耗能设计。
3.3 Pushover分析结果
为验证本文Pushover法的结果可靠性，选用文献[10]中使结构进入破坏阶段的>9度罕遇地震作用拟动力试验所得等效顶点力与顶层位移的滞回曲线的包络值作对比。从图4中可以看出，本文所采用的4种Pushover曲线与文献基底剪力―顶层位移曲线拟合均较好，其中均匀加载模式下相差最大，以SRSS振型叠加加载下曲线为准，该加载模式作用下基底剪力值为较文献[10]大17%。这是由于有限元模型边界条件、材料性能以及试验方法与试验模型存在一定差异，导致理论模型刚度较实验模型刚度偏高，从而基底剪力较大，位移较小，但仍然说明本文Pushover结果可靠度较高。
对SRSS组合加载模式下的顶点位移与底部总剪力的关系曲线作分析，顶层位移达到0.165m之前，结构整体处于弹性阶段，局部构件出现塑性铰；之后，结构进入整体屈服阶段，塑性铰主要出现在靠近空腹节间的斜腹杆上；顶层位移达到0.175m时，第2层框支撑逐渐进入屈服状态，塑性变形快速发展，结构处于整体屈服继续发展状态；随着第1层框支撑出现塑性铰，结构接近承载力极限状态，柱脚节点进入塑性变形工作状态，结构开始失稳并进入整体破坏阶段。
图5、6给出了结构在SRSS组合加载模式下的楼层极限位移和极限层间位移角。结构横向极限状态下最大层间位移角发生在第5层，为1/111，同时第7层层间位移角也较大，最大为1/114；文献[10]中>9度拟动力罕遇地震最大层间位移角发生在第7层，为1/88，第5层层间位移角为1/90，最大层间位移角发生在第7层是因为试验中力直接加载在第7层上。从图中看出，结构下部横向位移偏大，并且第3层位移角有明显回缩突变，变形曲线均为剪切变形。说明结构沿高度方向侧向刚度分布不均匀，设计时应重视转换层引起的刚度突变对结构的受力影响。
综上，结构薄弱层为5、7层，靠近空腹节间斜腹杆和框架支撑为薄弱构件。塑性铰发展顺序为：桁架5、7层斜腹杆―桁架弦杆空腹节间―框支撑―柱脚，柱中未出现塑性铰，破坏机理属于梁铰机制，满足“强柱弱梁”的抗震要求。
4 结论
①由于结构的剪力主要由斜杆承受，因此塑性铰集中出现在4-7层靠近空腹节间的斜腹杆上，下部框支撑上，弦杆上出现少量塑性铰，柱中无塑性铰出现。在合理设计条件下，利用部分构件塑性变形耗散地震能量，满足多道防线的破坏机制。
②框支交错桁架结构侧向刚度较大，但存在刚度突变，最大层间位移角出现在第5、7层，在实际应用中，可以增多桁架榀数，从而减小转换层带来的刚度突变及其交错布置所带来的刚度不均匀。
③在罕遇地震荷载作用下，构件的塑性铰发展不同于纯交错桁架由下而上的发展趋势[19-21]，而是从第5、7层中部斜腹杆开始向四周扩散，塑性铰发展顺序为：靠近空腹节间斜腹杆―弦杆―框支撑―柱脚，其破坏机理属于梁铰机制。结构薄弱层为5、7层及底部框架层。
参考文献：
[1]周绪红，周期石.水平荷载作用下交错桁架结构的内力和侧移计算[J].建筑结构学报，2004.
[2]莫涛，周绪红，刘永健.交错桁架结构体系的受力性能分析[J].建筑结构学报，2000，21（6）：49-54.
[3]许红胜，周绪红，刘永健.影响交错桁架整体延性的结构因素[J].建筑科学与工程学报，2006，23（2）：52-56.
[4]Robert D. Hanson and Glen V. Berg： Seismic Design of staggered Truss Buildings[J]. Journal of structure division， January 1974.
[5]周绪红，莫涛，刘永健.高层钢结构交错桁架结构的实验研究[J].建筑结构学，2006，27（5）：86-92.
[6]陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京：科学出版，1998.
[7]邓雪松，张耀春，程晓杰.钢支撑性能对高层钢结构动力反应的影响.地震工程与工程振动，1997（3）：52-59.
[8]黄怡，王元清，石永久.支撑布置方式对多高层钢结构抗震性能的影响分析.钢结构，2005，20（5）：41-44.
[9]周学军，陈鲁，曲慧.多高层钢结构支撑的布置方式对框架侧向刚度的影响.钢结构，2003，18（4）：51-54.
[10]付桦蔚.高层钢结构框支交错桁架拟动力试验研究[D].中南大学，2013.
[11]FEMA356，NEHRP Guidelines for the Seismic rehabilitation of Buildings[S].
[12]ACT-40.Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Building[S].
[13]FEMA273，FEMA274.NEHRP Commentary on the Guidelines for the Rehabilitation of Building[R].Federal Emergency Management Agency， Washington D C， 1996.
[14]Chopra A K， Goel RK.A modal pushover analysis procedure for estimating seismic demands for building [J].Earthquake Engineering & Structure Dynamics， 2002， 31（3）：561-582.
[15]MWAFY A M， ELNASHAI A S. Static Pushover Versus Dynamic Collapse Analysis of RC Buildings[J].Engineering Structures，2001，23（3）：407-424.
[16]叶燎原，潘文.结构静力弹塑性分析（Push-over）的原理和计算实例[J].建筑结构学报，2000，21（1）：68-69.
[17]汪大绥，贺军利，张凤新.静力弹塑性分析（Pushover Analysis）的基本原理和计算实例[J].世界地震工程，2004（1）：45-53.
[18]杨溥，李英民，王亚勇，等.结构静力弹塑性分析（Push-over）方法的改进[J].建筑结构学报，2000，21（1）：90-91.
[19]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].
[20]杨磊.钢结构交错桁架体系抗震性能的静力弹塑性分析[J].钢结构，2007，22（2）：14-17.
[21]尹越，李顺，白林佳.交错桁架多层钢结构推倒分析方法研究[J].地震工程与工程振动，2008，28（3）：52-57.
桁架结构篇7
【关键词】索―桁架结构；非线性分析；施工阶段分析
1 项目概况
广东省东莞塘厦体育中心项目位于广东省东莞市塘厦镇行政文化新区，按国家一级体育建筑标准兴建，占地面积8万平方米，建筑面积18000平方米，总投资达1亿元。馆内设有标准配套的篮球场、游泳池、健身房、训练场、电视直播室、新闻室、医疗室、休息室及办公区，可容纳观众约5000人。是集体育竞赛、群众体育、文化娱乐于一体，目前东莞规模较大、功能最为齐全的现代化体育活动中心。
主建筑长173米，宽72米，建筑造型层层递进，犹如一艘即将扬帆远行的轮船，外墙面为幕墙，整个建筑富有层次感和鲜明的时代特征。（图1.1）
2 结构选型
本工程主体为三层钢筋混凝土框架结构，上部屋盖为钢结构。按照建筑功能和建筑体形划分为A、B、C三个区，分别采用不同的结构形式。结构平面见图2.1。
各区都是独立的曲面管桁架，其中A区和C区布置有预应力拉索。A区悬挑长度为40米，在距悬挑边12米的位置设置拉索连接桁架上弦和钢管柱，两侧下弦用稳定索与地面相连，为了平衡钢管柱所受的水平拉力，在钢管柱与后排的格构柱间也用拉索连接。由于造型的需要，C区也设置拉索连接桁架上弦和钢管柱。结构整体计算模型如图2.2。A区属于索―桁架结构，本文主要以A区为例展开论述，计算模型如图2.3，边榀桁架计算简图如图2.4。
3 结构分析与设计
3.1 设计荷载取值
依据《建筑结构荷载规范》，并结合本工程的实际使用功能要求，各荷载标准值如下：
3.1.1 恒荷载 夹心板屋面恒载为0.2KN/m2。带玻璃采光顶部分屋面恒载为0.5KN/m2。
3.1.2 活荷载 屋面活载取0.5KN/m2。屋面吊挂活载取0.3KN/m2。
3.1.3 风荷载 屋面不同高度的风载取值如下：
对墙面则可根据规范按迎风面、背风面分别取值计算，再导算至相应的节点上。
3.1.4 温度荷载 设计时温度荷载取为±20℃。
3.1.5 地震荷载 东莞抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g。
3.2 荷载组合
根据《预应力钢结构技术规程》，预应力钢结构按承载能力极限状态计算时的基本组合应采用下列设计表达式：
3.3 构件规格及材质
本工程综合考虑各种因素后，主要钢材采用Q345B级钢。所用的钢管规格有：桁架弦杆245x10；桁架腹杆159x6、180x10等多种；塔柱800x20和600x18；格构柱600x18。；
预应力索索体选用热挤聚乙烯护层扭绞拉索，主受力索规格为φ5x187，抗风索规格为φ5x301，拉索抗拉强度不小于1570Mpa。
3.4 设计采用的软件及结构分析方法
在进行计算分析之前，首先要明确采用非线性分析的柔性钢结构体系的三个状态：
零状态：零状态时的结构是加工放样后的索段和构件的集合体。零状态时结构不存在预应力，不承受外部荷载和自重的作用。
初始状态：指结构仅在预应力和自重作用下的自平衡状态。不考虑外部荷载的作用。
工作状态：指结构在外部效应作用下所达到的平衡状态。
将非线性索单元平衡方程和非线性桁架单元、非线性梁单元的平衡方程组装后可得到预应力结构体系的总体平衡方程，其一般表达式为：
求解该非线性平衡方程可得到结构荷载-位移的全过程曲线以及结构的稳定极限承载力。
对于大跨度长悬挑索―桁架结构要考虑空间协同作用，在计算时需要整体建模、整体分析。本工程主要是采用有限元分析软件MIDAS对整体结构进行几何非线性分析，并进行结构设计，用3D3S对设计结果进行校核。
3.5 静力分析结果
4 施工控制
4.1 施工阶段分析
索―桁架结构需要对施工过程进行分析计算，其主要原因在于：第一，这种结构一般体型较大，刚度相对较柔，在分析中可以归结为大位移小应变的弹性问题来分析，需要采用非线性有限单元法来求解；第二，对于施工过程的计算本身来说，不同的施工阶段和施工内容对应于不同的结构图式，从计算模型的角度分析，在结构施工的不同阶段，结构体系在动态变化――结构构件的增加或者减少、杆件约束的变化、荷载的增加或减少、预拉力的施加等等――这些都导致了结构的超静定次数、结构内力和位移的不断变化，而且每一步施工过程计算必须在上一步施工过程计算所得到的内力和位移的基础上进行才能确保结构的安全度。
以图2.3为模型，利用有限元分析软件MIDAS的施工阶段分析模块进行非线性有限元的计算分析。
4.1.1 设计索力
预应力索的编号如图4.1所示。拉索所用材料规格及设计索力如表4.1所示。
4.1.2 施工步的确定
经过多次对比计算分析，本工程预应力拉索的施工分为两期进行。一期在管桁架安装完成后、屋面板安装之前进行，施工最大拉力为设计预拉力的50%，张拉时由脚手架支撑整体结构；二期在屋面板安装完成并且脚手架拆除后方可分批、同步、分多次张拉剩余设计预拉力的50%。
拉索编号及张拉分批见图4.2。各索在各张拉阶段的张拉力，见表4.2。
注:--表示该阶段该索不张拉.
4.1.3 各施工步关键节点位移图表
关键节点的选取见图4.3。各关键点在各施工步的累积位移见表4.4。
注：1、表中阶段WM为第一阶段拉索预拉力施加完毕，屋面及檩条安装以后，第二阶段拉索预拉力施加之前，结构的位移；2、表中阶段1-1、2-1、3-1、4-1、5-1、6-1为施加第一批拉索预拉力，阶段1-2、2-2、3-2、4-2、5-2、6-2为施加第二批拉索预拉力；3、表中每一阶段的位移值均为相对于结构初始状态的位移值。
4.2 施工方案
4.2.1 拉索张拉的总体原则
（1）拉索张拉控制采用双控原则：控制索力和结构变形，其中以控制索力为主。
（2）拉索张拉原则：同时、同步、分批张拉。
（3）拉索张拉方式：一端张拉。
4.2.2 张拉设备
A区拉索张拉一端张拉，共需要千斤顶20台（10套），并配合专用的张拉夹具，千斤顶在正式使用前必须在有资质试验单位的试验机上进行标定。
4.2.3 拉索张拉要点
（1）张拉时每批分六阶段：020%40%50%70%90%100%。
（2）每次张拉要求批内拉索同时、同步张拉。
（3）辅助结构关键点位移监测。
4.2.4 施工顺序
总体施工顺序为：安装脚手架安装钢柱拼装管桁架安装拉索并预紧首期张拉拉索安装屋面檩条安装屋面板拆除脚手架二期张拉拉索。
具体施工步骤如下：（1）塔柱在地面焊接以后，吊装，与混凝土柱连接；（2）单榀主桁架组装；（3）次桁架组装；（4）吊装主桁架至设计高度，调整主桁架至设计的位置、角度以后，与塔柱焊接，在主桁架下搭设脚手架承担全部桁架自重；（5）所有主桁架吊装完毕后吊装次桁架，并按设计要求进行组装；（6）张拉悬索。
5 设计及施工过程中需要注意的几个问题
5.1 支座的假定一定要与工程实际相符。对于直接支撑在钢筋混凝土柱上的支座应该假定为弹性约束，弹簧刚度系数Κ按下式确定：
Κ=F/δ
式中，F――弹簧刚度系数 计算方向上的单位力（kN）；
δ――在单位力下混凝土柱顶的位移（mm）。
5.2 杆件应力及节点位移、构件挠度要满足规范要求并且要有足够的安全储备。
5.3 关键节点的设计非常重要，要保证杆件的破坏先于节点。除了采取构造措施加强以外，还应考虑各种不利情况，预留足够的安全储备，真正做到“强节点、弱杆件”。
5.4 需通过多次计算分析确定拉索的最佳作用位置、预应力张拉控制值和有效预应力值，悬索预应力张拉控制值扣除各种应力损失之后实际施加到结构上的预应力为有效预应力。
5.5 对于在地震、风等动力荷载作用下拉索的的受力性能、索张力的变化、索的自振和共振以及防护措施要在实际工程中不断总结。
5.6 加强施工阶段的管理不仅关系到安全，也关系到建筑效果的实现。在施工过程中需要对关键节点的变形进行适时观测，并严格观测结果的记录、整理和存档。
5.7 每一施工步结束均需持续本荷载级半小时并确定达到设计预拉力方可进行下一施工步的加载。
参考文献
[1]CECS 212:2006 预应力钢结构技术规程 [S]．北京：中国计划出版社，2006.
[2]GB50017―2003 钢结构设计规范 [S]．北京：中国计划出版社，2003.
[3]GB50009―2001建筑结构荷载规范 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2002.
[4]GB50011―2001建筑抗震设计规范 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2001.
[5]陆赐麟等编．现代预应力钢结构 [M]．北京：人民交通出版社，2003.11.
[6]张其林编．索和膜结构 [M]．上海：同济大学出版社，2002.
作者简介：
杨志刚，男，1976年8月生，硕士，工程师
桁架结构篇8
【关键词】高层建筑；桁架导轨式爬架；施工工艺应用
【 abstract 】 truss guide rail type climb frame referred to climb frame, improve the appearance of the scaffold high-rise building scaffold outside the construction technology level, it solved the console scaffolding cost is high, pick the scaffold and hang the scaffold can't lift, hanging basket to not to be used for construction project construction. This paper mainly discusses the application of it in the project.
【 key words 】 high-rise buildings; Truss guide rail type climb frame; Construction technology application
中图分类号：TU97文献标识码：A 文章编号：
引言
安全是建筑施工中人们长期关注的焦点，它不但关系到操作人员的生命安全，而且也是施工企业管理水平的体现。建筑外防护架在选择时不但要考虑到上述两个方面的影响，而且在经济上也应是切实可行的。本文以一个高层住宅建筑工程项目为实例，就此类项目的结构期间外架进行了认真的分析和研究，介绍爬架的升降原理，较为详细的介绍了爬架安装、拆除及施工工艺。某住宅楼地下2层，地上30层，总高90.9 m。该工程在进行充分论证后，决定采用桁架导轨式爬架作为工程的外防护架。
爬架是高层建筑外架工程的成套施工设备，它只需搭设一定高度（一般3至4层楼层高）便可满足施工要求。它在每个提升点（机位）处设置了足够强度和刚度的竖向主框架，在架体底部设置了底部承力桁架，以承受和传递竖向和水平荷载，确保了架体的整体性；它独创了导轨、导轮机构，有效地解决了防倾覆问题, 保证了架体升降平稳；独创的防坠落控制系统，不论何种原因产生动力失效时, 均能迅速将架体锁定在固定的防坠杆上。由于有三组悬梁同建筑结构（三层）之间有连接, 抗风载能力强。爬架主要由架体、导杆、撑脚、斜拉钢索及提升装置等组成。架体为框架结构，导杆安装于外墙面与架体之间撑脚的一端与架体相连，另一端支撑于架体下方的楼板梁外缘处，斜拉钢索连接在架体与楼板梁之间，多个外墙爬架互相排列在建筑物外周即可作为脚手架使用。该爬架不但安全稳定性好，提升操纵简单，施工效率高，特别体现了综合效果与利益上，与别的脚手架相比，具有明显的优势和降低施工本钱的效果。
1、桁架导轨式爬架简介
1.1爬升原理
在建筑结构四周分布爬升机构，附着装置安装于结构剪力墙或能承受荷载的梁上，架体利用导轨通过导轮攀附安装于附着装置外侧，提升葫芦固定安装于主框架之悬梁上随爬架一并升降，提升葫芦下挂钩钩于提升钢丝绳上并吃力预紧，提升钢丝绳的另一端通过固定在主框架上的绳轮固定在最低部附着悬梁上，这样，可以实现架体依靠导轮组沿导轨的上下相对运动，从而实现导轨式爬架的升降运动。
1.2性能指标（见表1.1）
1.3性能特点
同一附着点多层多点附墙；
具备防外倾及导向功能；
具备防止坠落装置；
具备竖向主框架及水平承力框架；
爬架一次性安装，操作简便，材料成本低。
2、桁架导轨式爬架安装
2.1安装流程
摆放提升机位底座、安装主框架Ⅰ搭接主框架Ⅱ、2-4步脚手架及张挂外排密目安全网安装第二悬梁、导轮及垂直拉筋随结构接高主框架3、搭设脚手架、铺设中间层或临时脚手板安装第三悬梁、导轮及垂直拉筋与建筑结构做临时架体拉接、张挂外排密目安全网铺设底层安全网及脚手板、制做翻板主框架、架体及单排架搭设至设计高度、铺设顶层脚手板、挡脚板张挂外排密目安全网至架顶安装提升钢丝绳摆放电控柜、分布电缆线、安装电动葫芦、接线、调试电器系统预紧电动葫芦、检查验收、同步提升一层安装全部完毕，进入提升循环
2.2爬架安装平台搭设
根据本工程具体情况：在1层开始搭设平台；平台由原防护架改造而成，如原防护架宽度不足，外侧搭设挑架。平台操作面分别位于2层顶板下返L=600mm。平台上铺设脚手板。（见图2.1）
图2.1爬架平台安装示意图
2.3提升机位摆放
将主框架I摆放于平台，应于建筑结构垂直，偏差±10mm；其立杆中心与预埋两孔中心偏差±10mm、其离墙距离偏差±20mm。
2.4竖向主框架安装
按照爬架立面设计高度和选用的主框架单元节进行组装，主框架单元节点连接方式均为法兰式。
2.5水平桁架安装
水平桁架构件包括中间框架、横杆、斜杆、立杆。中间框架为焊接刚性框架，横杆、斜杆为6.3#槽钢或48钢管杆件。水平桁架单元跨模数为0.9m、1.2m、1.5m、1.8m。（见图2.2）
图2.2水平桁架安装示意图
2.6附着支承结构的安装
2.6.1穿墙螺栓及悬梁
检测预埋孔位置正确后，安装穿墙螺栓。墙体内側安装垫板，预紧双螺母或梯形螺纹单螺母；墙体外侧安装悬梁，悬梁中心线与导轨及预埋孔中心线对齐，水平偏差≤50mm。悬梁和垫板必须贴实墙体后，方可拧紧穿墙螺栓、螺母。墙厚变薄三角螺纹穿墙螺栓螺纹长度不够时，在墙体内側一端加装垫板、套管。穿墙螺栓禁止漏装、虚装；后垫板垫实结构；螺母必须拧紧，禁止松动（三角螺纹螺母为双螺母）。
2.6.2斜拉钢丝绳的安装
非剪力墙部位时每根悬梁加一组斜拉钢丝绳（每机位三组），拉于悬梁的轴上，并用M24花篮螺栓拧紧。
2.6.3绳卡的安装
绳卡安装方向一致，U形螺栓压在短绳端，绳卡间距为120—150毫米。绳卡螺母应拧紧，钢丝绳第一次承力后必须再拧紧一次。
2.7导轮的安装
每套爬升机构共安装三个导轮，每个悬梁一个。
导轮安装要求：按实际情况利用腰形孔用二个直径20插销进行按装；禁止耷头、偏移、扭曲，水平偏差±5mm。
2.8提升上吊点的安装
每套爬升机构安装一套提升上吊点。提升上吊点安装于主框架悬梁上，受力轴线与主框架同合。
2.9附着构件安装
到位后调整附着构件与导轮位置最短将（上升时最上两组悬梁下降时最下两组悬梁位。
2.10垂直拉筋的安装