桁架结构

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桁架结构范文第1篇

（长沙市公路桥梁建设有限责任公司，长沙410000）

（ChangshaHighwayBridgeConstructionCo.，Ltd.，Changsha410000，China）

摘要：采用ANSYS有限元分析软件，利用push-over分析方法对某框支交错桁架结构在不同侧力分布模式下进行抗震性能分析，得出了罕遇地震作用下框支交错桁架结构的破坏模式及塑性铰发展过程。

Abstract:ByANSYSsoftware,thepush-overmethodwasappliedtoanalyzetheseismicperformanceofahigh-risesteelframe-supportedstaggeredtrussstructuresystemunderdifferentlateralloadpatterns.Thefailuremodeandplasticityhingedevelopingprocessingofthehigh-risesteelstructure-supportedstaggeredtrussstructuresystemwereobtainedunderrareearthquake.

关键词 ：框支交错桁架；ANSYS；push-over分析；破坏模式；塑性铰

Keywords:frame-supportedstaggeredtrussstructure；ANSYS；push-over；failuremode；plastichinge

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》（GB50011-2010）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。

2.2ANSYS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（SparseDirect）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。

3.3Pushover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。

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桁架结构范文第2篇

关键词：管桁架 钢结构 焊接 预拼装 制作精度 深化设计

中图分类号： S611 文献标识码： A

1.概述

管结构和桁架结构是钢结构的重要组成部分。随着钢结构行业软件的技术进步和多维数控切割技术的发展，为管桁架钢结构的应用提供了技术和装备的保证，管桁架结构得到了前所未有的发展。

管桁架钢结构有如下优点：1）节点形式简单。结构外形简洁、流畅，适用于多种结构造型。2）刚度大，几何特性好。钢管的管壁一般较薄，截面回转半径较大性能好。故抗压和抗扭性能好。3）施工简单，节省材料。节点处各杆件直接焊接，因而具有施工简单，节省材料的优点。4）有利于防腐和清洁维护。钢管和大气接触表面积小，易于防护。在节点处直接焊接，维护更为方便，管形构件在全长和端部封闭后，其内部不易生锈。5）圆管结构的管桁结构流体动力特性好。承受风力或水流等荷载的作用时，荷载对圆管结构的作用效应比其他截面形式结构的效应要低得多。

管桁结构尤其是空间管桁结构的独特优势，符合大跨度空间结构的发展需要，这种结构体系营造了力学和美学的完美结合，在造型新颖、外形各具特色的大型场馆、会展中心等中愈来愈受到青睐，发展势头迅猛。

2.管桁架用低合金高强度钢焊接技术

焊接技术是钢结构技术中的关键技术，是钢结构工程的质量和寿命保证。对于大跨度管桁架钢结构也同样。低合金高强度钢结构焊接技术的掌握，是大跨度管桁架钢结构制作技术的基础。

正确选择钢结构在制作加工过程中经常使用焊接工艺，才能保证低合金高强度钢所制作的钢结构的焊缝应具备的强度和韧性．才能经受住预定用途出现的最不利的条件。日前低合金高强度钢的发展与各种焊接工艺的发展足同步进行的，管桁架钢结构目前涉及的材质为Q345，在焊接工艺合理、焊接操作得当，严控焊接工艺纪律是可以很好地进行焊接的。因此不再赘述。

3.管桁架结构焊接变形控制技术

3.1管桁架结构焊接

大跨度管桁架结构的线条要求流畅，形体优美；钢管的连接主要采用焊接，焊接质量的保证是管桁架结构的关键控制技术。从焊接节点构造，焊接工艺和无损检测技术方面进行控制。

管桁架焊接通常采用手工电弧焊或气体保护焊。在施工条件允许时，尽可能采用CO2气体保护焊，以有效减少焊接时的收缩和变形，同时也能够提高焊接的生产效率，加快施工进度。

3.1.1焊接前必须编制合理的施焊工艺和施焊程序；严格按焊接工艺进行焊接；

3.1.2焊接前必须对组对桁架进行检验，按照不同材质，根据焊接工艺方案的要求，选用对应的焊材；

3.1.3组对焊接时，采用多人对称反向焊接，最大限度减少焊接变形；

3.1.4严格按设计要求进行焊缝尺寸控制，杜绝自由工艺------不任意加大或减小焊缝的高度和宽度；

3.1.5焊接前将焊缝区边缘30到50内的铁锈、毛刺、污垢等清除干净，以减少产生气孔等焊接缺陷的因素；

3.1.6焊接后清理焊缝表面的熔渣和飞溅，进行焊缝检查（焊缝外观检查和无损探伤），合格后按要求在规定位置打焊工钢印；

3.1.7加强焊材管理，按规定烘烤、领用和使用；

3.1.8加强焊工管理，焊工必须持证上岗，施焊前进行相应的培训。

3.2焊接变形控制

3.2.1、定位焊

3.2.1.1应距设计焊缝端部30mm以上,焊缝长度应为50mm~100mm,间距应为400mm~600mm。

3.2.1.2 正式焊接开始前或正式焊接中，发现定位焊有裂纹 应彻底清除定位焊后， 再进行正式焊接。

3.2.1.3对于焊接垫板， 在构件固定端的背面定位焊。当两个构件组对完毕， 活动端无法从背面点焊， 应当在坡口内定位焊， 当预热温度达到要求时,采用定位焊顺序为从坡口中间往两端进行,以防止垫板变形。

3.2.2、焊接预热、层间温度和焊接环境

3.2.2.1 对于厚度大于 3 6mm的低合金钢应采用焊前预热和焊后热处理措施， 预热及焊后热处理的温度应根据焊接工艺试验评定报告确定。要平衡加热量， 使焊接变形和收缩量减少。

3.2.2.2焊接接头两端板厚不同时， 应按厚板确定预热温度； 焊接接头材质不同时，按强度高、 含碳量高的钢材确定预热温度。

3.2.2.3厚板焊前预热及层间温度的保持优先采用电加热器， 板厚 2 5mm以下也可用火焰加热器加热， 并采用专用的接触式热电偶测温仪测量。

3.2.2.4预热的加热区域应在焊缝两侧， 加热宽度应各为焊件待焊处厚度的1.5倍 以上，且不小于100mm； 预热温度可能时应在焊件反面测量，测量点应在离电弧经过前的焊接点各方向不小于75mm处，圆管杆件对接时不能在焊件反面测量， 则应根据板厚不同适当提高正面预热温度，以便使全板厚达到规定的预热温度 ； 当用火焰加热器时正面测量应在加热停止后进行。

3.2.2.5焊接返修处的预热温度应高于正常预热温度 5 0℃左右， 预热区域应适当加宽，以防止发生焊接裂纹。

3.2.2.6层间温度范围的最低值与预热温度相同， 其最高值应满足母材热影响区不过热的要求， 焊接层间温度低于250℃。

3.2.2.7 预热操作及测温人员须经培训， 以确保规定加热制度的准确执行。

3.2.2.8有焊后消氢热处理要求时，焊件应在焊接完成后立 即加热到3 0 0℃- -3 5 0℃。保温时间根据板厚按每25mm板厚不小于0.5h 且不大于1h确定，达到保温时间后用岩棉被包裹缓冷。其加热、测温方法和操作人员培训要求与预热相同。

3.2.2.9相对湿度 8 0 ％以上， 或因降雨、雪等使母材表面潮湿及大风天气( 风速大于 8m／s)，不得进行露天焊接； 但焊工及被焊接部分如果被充分保护且对母材采取适当处置( 如加热、去潮)时，可进行焊接。

3.2.2.10当采用CO2半自动气体保护焊时， 环境风速大于2m／s时应采用适当的挡风措施或采用抗风式焊机。

3.2.3、焊接顺序

3.2.3.1 先焊主弦杆管与管之间的对接焊缝 ；

3.2.3.2再焊斜腹杆与主弦杆的相贯焊缝、腹杆与腹杆的对接焊缝；

3.2.3.3焊完一条后再转入另一条焊接，同一管子的两条焊缝不得同时焊接；

3.2.3.4焊接时应由中间往两边对称跳焊，防止扭曲变形( 见图 1 ) 。

3.2..4、典型焊缝的焊接工艺

3.2.4.1管-管对接

一般采用带衬环的全溶透对接焊缝。

手工焊：每条环焊缝由两名焊工对称施焊；采用多层多道焊；根部用φ2.5mm或仍φ3.2mm焊条打底焊 1层 ～2层， 其他用φ4mm或φ5mm焊条填充、 盖面。

管子对焊机：如采用KB500 MIG\MAG填充盖面自动焊接系统，可焊接外径159到500，厚度4到30，长度500到15000的钢管。组对焊一体化的焊接系统，高效、高质量的焊接保证。

3.2.4.2相贯节点焊接

相贯焊缝应对称施焊，多层多道焊； 熔透部位采用Ф2.5mm的焊丝打底，或直接采用手工电弧焊Ф2.5mm或Ф3.2mm焊条打底,但要确保单面焊双面成型， 其他采用Ф4mm或Ф5mm焊条填充、盖面； 一个节点往往有多条相贯焊缝，焊缝集中。一条相贯焊缝焊接完毕冷却后，再焊相邻的相贯焊缝,以防止应力集中，减小焊接变形。焊接时，应先焊坡口大，变形大的区域 ，对于 Y形节点 ，先焊 A，D区，后焊 C， B区，且先焊趾部再焊根部。T形节点先焊趾部，后焊侧边。

相贯形节点的焊缝可分为全溶透焊、部分溶透焊和角焊缝3类，根据设计承载要求不同而不同。而由于管壁厚度的不同及支管与主管之间不同的夹角，能够采用的焊接形式和焊缝的高度也有所不同。如对应不同的管壁有的需要在支管马鞍形曲线处切割出一定的坡口角度才能焊透。支管的壁厚较小时不用切割出坡口角度也能焊透；如支管与主管之间的夹角小于30º时，根部区难于施焊，必须在夹角底部填焊至一定宽度后才可正常施焊，其焊缝有效值必须取样检验进行焊接工艺评定加以验证。管桁架结构中包含大量T、Y、K、X形节点。空间管桁架焊工施焊时焊接位置包含平、横、立、仰全位置施焊，应针对支管与主管间的不同角度有不同的焊接要求。

3.2.4.3焊接球节点的焊接

分两种：一种为管子带衬环对接焊；一种为球、管直接对焊。

3.5、焊后处理

焊后处理包括后热及消氢处理 ，后热温度一般为 1 5 0℃～2 5 0℃， 消氢温度则是在 3 0 0℃～4 0 0℃， 加热好后保温一段时间。目的都是加速焊接中氢的扩散逸出， 消氢处理比后热处理效果更好。对于一般拘束接头可采用焊后缓冷措施，不会产生氢致延迟裂纹。

4. 管桁架组对胎架设计、制作、精度控制

管桁架组对胎架设计、制作、精度控制是管桁架制作的另一项关键技术。胎架的设计以结构的三维实体仿真模型为基础，三维实体模型的搭建精度是胎架设计、制作精度控制的前提保证。管桁架的组对胎架同样分平面和空间两大类。

4.1胎架采用工字钢或槽钢，胎架间距及规格大小根据具体工程桁架的型式、外形尺寸、重量等确定。TJ1为粗调高度（根据桁架类型确定各TJ1的高度），PL1为微调时所用。精度控制：桁架在地面拼装时，每个接口位置设拼装胎架，为了保证拼装精度，利用工字钢（槽钢）制作钢胎架，上面放置不同厚度的钢板以保证桁架的起拱值胎架要用高精度的仪器（经纬仪、水准仪等）来保证直线度、垂直度。并保证支架稳定，在拼装期间不发生变形。

图1拼装胎具

4.2对于通常做法，为保证类似曲线面桁架的制作安装精度，制作整体拼装胎具，胎具分为正放和倒放两种，一般根据选定的上弦或下弦为基准参考点来确定，将选定的上弦或下弦底层胎具平行地面位置，设立组装胎具，如图2：通常做法设置的拼装胎具。

图2通常做法设置的拼装胎具 图3侧放位置的胎具

但有时桁架上下弦拱度大，空间几何尺寸变化复杂，弦杆和腹杆相互间随位置变化而相贯切口变化很大，采用制作侧放位置的空间三维胎具，进行桁架拼装，如图3：侧放位置的胎具。

5.管桁架预起拱计算和控制方案

5..1桁架起拱的一般规定

由于桁架的刚度较好，在一般情况下，桁架在使用阶段的挠度均较小，因此，当跨度在40m以下的桁架，一般可不起拱（拼装过程中，为防止桁架下挠，可根据经验留施工起拱）。

桁架起拱按线形分有两类：折线形和圆弧线形；桁架起拱按找坡方向，分为单向起拱和双向起拱。

单向圆弧线起拱和双向圆弧线起拱，都要通过计算确定几何尺寸。当为折线起拱时，无论是单向或双向找坡，起拱计算较简单；但对截面为三角形等的空间桁架，当单向或双向起拱时计算均较复杂。

5.2管桁架起拱的控制方案

根据设计要求确定管桁架是否起拱。起拱方式分：制作时起拱和深化设计时起拱。目前一般采用后者。即按起拱后的实际形式来建模确定弦杆以及腹杆的长度及相贯线形状。

控制方案：起拱弦杆在桁架组对时，胎架高度按起拱后的高度来组立。

6.管桁架组对精度控制技术

根据工程的具体情况，管桁架的组对分工厂组对和施工现场组对。管桁架的组对必须在钢平台上进行。通常采用厚度不小于20的钢板搭设组对平台，以确保平台的刚度。钢平台的水平度的测设点应与管桁架组对胎架的测设点一致。

空间管桁架拼装时，使用多点吊装方法，将弦杆依次架到胎具的支架上，采用水准仪对各标高尺寸进行测量，利用铅坠将各方向的尺寸投影到平台上，使用经纬仪在同一平面上进行测量，以此控制桁架的三维空间尺寸。腹杆安装时，在弦杆与腹杆相贯节点处弹出中心线，确保腹杆位置的正确。各杆件拼装后，采用水准仪、铅坠和钢卷尺对各点进行检验，合格后进行定位焊。

管桁架的制作精度的另一关键是管桁架的焊接。在条件允许的情况下尽量采用焊后变形小的气体保护焊。在组装胎架上进行单榀桁架的焊接时，必须按照先焊中间节点，再向桁架两端节点扩展的焊接顺序，以免由于焊缝收缩向一端累计而引起的桁架各节点间尺寸误差。并且不得在同一支管的两端同时施焊。

焊缝尺寸应符合设计要求的计算厚度或焊缝大小，但也要避免过多的堆焊加高而产生较大的焊接残余应力。

相贯节点焊缝坡口的根部间隙大于标准规定值（1.5mm）时，可以按超标间隙值增加焊缝尺寸。但间隙大于5 mm时应事先采用堆焊和打磨方法修整支管端头或在接口处主管表面堆焊焊道，以减少焊缝间隙。

7.大跨度管桁架预拼装技术

在工厂深化设计的基础上，依据结构整体三维线框模型或三维实体仿真模型，按照1:1的比例制作胎架，由于管桁架一般是由中间向两边完全对称的结构形式，因此胎架一般制作一半也可。

胎架制作完毕后，应进行反复校核，确保拼装的精确度。预拼装时，根据管桁架形式的不同，分平面预拼装和空间预拼装。先将上、下弦放置在胎架上固定，然后将腹杆从中间部位向两边依次组装，组装完成后，按照钢结构制作规范进行检查，若偏差大，则需调整，完全能满足要求后方可。

计算机三维实体仿真技术的应用，改变了以往传统的钢结构的预拼装技术。三维实体仿真模型的建设是整体管桁架结构1:1预拼装的一种预检验形式，借助多维数控切割技术和杆件、支座等零部件质量的精细控制或重要节点局部的实体预拼装，大跨度管桁架结构整体全实体预拼装有望取消。这样，可以大大缩短工程的制作周期，提高大跨度管桁架的制作效率。

8.钢结构深化设计软件（Tekla Structures和STCAD\CAM）的应用

管桁架工厂深化设计是管桁架钢结构制作技术的前提保证。深化设计由专业技术人员使用专业的软件进行。深化设计要完成两大内容，二者相互交集、密不可分：其一为结构三维实体模型的搭建（有起拱要求的，按起拱后的实际形式来建模）和结构加工图及工程量的确定；其二为制作工艺数据库的确定：复核计算重要节点并确定节点形式、确定桁架弦干拼接点位置和桁架节段拼接位置、多管相贯时确定节点工作点的定位以及允许偏心量和节点的装配顺序、确定节点的合理焊缝形式和焊缝收缩量、区分并确定重要的零件和构件及其加工工艺、优化配料并确定所有杆件的加工数据。

Tekla Structures可辅助进行管桁架三维实体模型的搭建和重要节点的仿真，是建模的普适软件。管桁架工程深化设计中，STCAD\CAM更专业。ST CAD软件是一套成熟的管结构计算机辅助设计与制造系统软件，实际应用中需要结合工程实际具体问题具体分析。工厂深化设计中STCAD建立模型步骤为：确定管桁架结构类型---建立轴线模型---定义桁架杆件属性---赋予杆件截面---节点处理---定义模型属性---生成模型---检查模型---输出桁架图纸---输出数控文件。

钢结构深化设计软件（Tekla Structures和STCAD\CAM）的应用，为设计和制作的集成提供了可能，实现了设计和制作的一体化。

结语：管桁架钢结构在焊接要求、制作精度、防锈措施等方面与一般的钢结构要求相同。管桁架的重点是其节点，即杆件直接在空间会交而成的相贯节点，因此管桁架钢结构制作的关键技术在于节点放样、焊缝及坡口的加工及管桁架整体制作精度的控制技术。

参考文献：

1 《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001；

2 《钢结构设计规范》GB50017-2003；

3 《网架结构设计及施工规程》JGJ7-91；

1《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002；

2《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002

3《预应力钢结构技术规程》CEC212-2006；

桁架结构范文第3篇

关键词：张弦桁架；等效降温法；零状态；预应力

中图分类号： TU393.3 文献标识码：A

Analysis on pre-stress control of truss string structure

Ke Youhua

(China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co., Ltd Tianjin 300133,China)

Abstract: The pre-stress of truss-string structure is analyzed and researched in the process of construction. According to the stress characteristics of the structure and the theory about simulating initial strain, another loading method named equivalent cooling method is put forwarded. The pre-stress of truss-string structure is analyzed and demonstrated by giving an example through reforming initial strain of the cable along the ends to cooling along the whole cable. The determination principle of truss string structure is got, and the precision of the method is inspected by applying the temperature load.

Key words: Truss-string structure; equivalent cooling method; Initial state; pre-stress

中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：

1 预应力的作用

张弦桁架结构【1】是由张弦梁结构发展而来的一种新型预应力钢结构。它的上弦是立体桁架，基本构件中没有受力较为复杂的抗弯受压构件，各种杆件只承受轴向力。它利用施加在索上的预应力使立体桁架产生反挠度，结构在荷载作用下的最终挠度得以减小，撑杆对立体桁架提供了支承，改善了它的受力性能，索承受了立体桁架的水平推力，减少了滑动支座的水平位移，从而减轻了其对支座产生的负担。张弦桁架结构的各种构件受力简洁明确，拉压杆取长补短，协同工作，充分发挥了材料的受力特点，是一种典型的刚柔杂交的预应力钢结构体系。

张弦桁架结构的预应力是在没有外荷载作用下结构内部所维持的自平衡内力分布。在张拉下弦拉索的施工过程中，拉索的张拉力并不是预应力，其通常包括两部分的效应，一部分为外荷载和结构自重所引起的拉索内力，还有一部分为预应力在拉索中产生的内力。也就是说，如果结构中并不需要预应力的作用，张拉拉索实际上就是使拉索参与结构共同工作的过程，而不是施加预应力。张弦桁架结构中是否需要张拉拉索产生预应力，通常有两种考虑：一种是出于改善上弦构件的受力性能，减小上弦构件的内力；二是防止在结构使用期间某种荷载工况(主要是屋面风吸力作用) 下可能会克服恒载的效应而使得拉索受压退出工作。因此，拉索中维持一定的预应力可以保证拉索不出现压力。

对拉索施加预应力是使张弦桁架结构形成自平衡体系，具有较大整体刚度的关键。当结构处于初始态时，预应力使结构上拱，形成一定的负挠度，承受外荷载时，结构产生正挠度，正负挠度相互抵消一部分，使结构最终挠度不会很大，从而充分发挥此类结构的优越性。另外，预应力的施加使得结构各杆件内力减小，并且张弦桁架结构下弦采用高强拉索，预应力使材料的高强度性能得到充分发挥。

2 预应力的施加方法

在张弦桁架结构中用有限元模拟预应力【2】通常有三种方法：力模拟法、初应变模拟法和等效降温法。

2.1力模拟法

力模拟法是在下弦靠近支座处的两端施加大小相等、方向相反的预应力，来模拟千斤顶张拉钢索。整个张拉过程分两步，第一步施加重力荷载，第二步施加预应力。为了充分体现结构的非线性性质，每个荷载步中应取较多的子步数进行求解。

力模拟法可以逼真地模拟张拉过程，得到索拉力-位移曲线，但是不能在预应力张拉完毕后紧跟着进行施工阶段的加载分析，也不能研究施工完毕后结构在工作状态的力学性能。因为，用一对大小相等、方向相反的力模拟索张拉有时会会使得两个节点间的索段发生松弛现象，从开始施加施工荷载到索开始受力这个过程中索力没有增加，这与实际情况不符。

2.2初应变法

初应变法是通过两端索段或整个索段施加初应变来模拟预应力。该方法先粗略地取定一个初应变进行求解，然后根据由此得到的下弦索拉力来调整初应变的数值进行第二次试运算，重复该步骤，直到下弦索拉力恰好达到期望值为止。

它的优点【2】是力学概念清晰、简单，能够实现预应力张拉完毕后紧跟着施工阶段的加载分析，研究结构在竣工后工作状态中的力学性能，缺点是仅仅适用于进行一次预应力张拉的工程，因为在求解的第一步初应变就会被完全地施加到结构中去，不能模拟工程中常见的多次预应力张拉的情况。

2.3等效降温法

等效降温法是根据物体的热胀冷缩特性，对张弦桁架下弦的钢索进行降温使之收缩来模拟施加预应力的张拉过程，结构相应产生下弦受拉、腹杆受压和上弦受压弯的效应。在进行有限元分析时可以先较粗略地取定一个温度荷载进行求解，根据由此得到的下弦索拉力来调整温度荷载的数值进行第二次运算，然后重复继续该计算步骤，直到下弦索拉力恰好达到期望值为止。

等效降温法的优点是可以灵活模拟一次和多次张拉过程，在张拉完毕后可以接着进行荷载态分析，并进一步研究施工完毕后结构在工作状态下的力学性能，即可模拟施工全过程。研究表明，如果结构在施工过程中分级【3】施加预应力，将有可能使得张弦桁架结构的支承构件受力减少到最小程度。等效降温法对于实际工程的预应力模拟比较准确，本文即采用该方法。

3 预应力的确定原则

在进行张弦梁结构的设计分析时，首先要确定张弦梁结构的初始态【4】预应力大小和分布，然后才能确定结构零状态几何以及进行后续荷载态的分析。根据预应力在结构中的作用，可以得出预应力大小合理取值的三个主要原则：

（1）对于张弦桁架结构，就是尽量减小上弦杆轴拉力，使结构中内力分布比较合理，改善结构受力性能。上弦构件的轴压力太大会造成结构的不经济。

（2）在各种可能工况下，索应保持拉应力，并有一定的安全储备，且不超过规定的应力比。

（3）过大的预应力使索张拉施工不方便，会增大张弦桁架吊装时整体失稳的可能性。

总之，张弦梁结构中预应力大小的合理取值受多种因素影响。综上所述，本文对拉索预应力值的确定原则是：张弦桁架在屋盖恒载基本完成后，不考虑屋面活载及吊挂荷载的情况下，屋架的几何形状应与设计的相应节点坐标相符，即预应力产生的反拱与恒载（结构自重+支撑、檩条+屋面板）标准值产生的挠度大小相等的方法来确定预应力的大小。在实际的工程中【5】很难同时满足确定原则中的所有要求，但从设计角度上看，此方法是比较合理并切合实际的。

4 算例分析

4.1结构形式

计算模型参考广州国际会议展览中心屋盖等实际工程，采用倒三角形断面的张弦立体桁架，桁架的中心线和拉索的轴线形状均采用二次抛物线。整体结构由六榀同样的张弦桁架及其支撑系统组成一个独立的屋盖体系，每榀张弦桁架的中线间距为15m。结构的支座跨度为130m，矢高为13m，垂度为8m，一端为固定铰支座，另一端为可滑动铰支座。桁架截面宽3m、高3m；中部撑杆共11根，每根间距10m；侧向桁架支撑共5道，作为屋盖的纵向垂直支撑，除了在两侧支座及中部设置外，在1/4跨和3/4跨处各设置一道；未与垂直支撑相连的上弦节点布置檩条，间距为5m。上述纵向支撑体系结合屋盖周边布置的水平支撑体系，使整个屋盖体系形成了较大的纵向空间刚度。

以单榀桁架结构为研究对象，其结构模型如图1所示。

图1 单榀张弦立体桁架的结构模型（单位：mm）

Fig. 1 sing model of string truss structure

4.2单元类型

对于张弦桁架结构模型，上、下弦杆采用Beam188空间梁单元，腹杆、撑杆采用Link8空间杆单元，拉索采用只能受拉不能受压的Link10索单元。

4.3 荷载设计参数

屋架自重由ANSYS【6】有限元自动计算，檩条支撑为0.4KN/m2，屋面板取0.2 KN /，即恒荷载的标准值为0.6 KN/，单榀张弦桁架上弦每个节点承受的荷载标准值为0.6×50×130/56=20.89KN，方向向下。

4.4 计算模型参数

上弦杆截面尺寸为Φ480×22mm，面积为316552m2，下弦杆为Φ480×24mm，面积为3438m2，腹杆为Φ180×8mm，面积为4323m2，撑杆为Φ325×8mm，面积为7967m2，拉索截面尺寸为397Φ7mm,，面积为15277m2，斜撑截面尺寸为Φ219×6.5mm，面积为4339m2，檩条为H600×200×8×10，面积为8640m2。上述构件除拉索外全部使用Q345钢材，强度标准值为345MPa，强度设计值为310MPa，密度为7850kg/m3，线膨胀系数为1.2×105，弹性模量为2.06×105MPa。Φ7钢丝束强度标准值为1570MPa，强度设计值为1110MPa，密度为7850kg/m3，线膨胀系数为1.2×105。

4.5数据结果分析

因结构变形较大，要使所有节点最终挠度都为零是不可能的，经过试算发现荷载作用下跨中截面桁架下弦节点14的位移最大，所以只需控制该节点的位移，把该节点作为控制点。根据上文的预应力值确定原则，利用ANSYS有限元软件的APDL【7】参数化语言进行编程计算，具体计算流程如图2所示，最终确定张弦桁架结构拉索的初始预应力为1890KN，桁架跨中起拱值为287.09mm。

图2ANSYS参数化语言确定初始预应力流程图

Fig.2The process chart of initial pre-stress determined by ANSYS parametric language

6 结语

（1）对于张弦桁架结构，可以采用等效降温法模拟预应力，结合ANSYS有限元软件能够方便地求出初状态的内力分布，且与设计的初始态几何基本一致，能达到施工时的精度控制要求。

（2）等效降温法力学概念清晰，便于程序实现。通过等效降温法对其找形精度的检验可以看到，节点坐标、索、撑杆的内力、桁架的腹杆内力，上下弦杆内力与设计态的结果基本一致。因此，证明该方法是准确可靠的。

（3）对于大跨度张弦桁架结构，初始预应力对结构内力和初始变形影响较大，设计时应合理确定初始预应力的值，建议取预应力产生的反拱值与恒载（结构自重+支撑、檩条+屋面板）标准值产生的挠度值大小相等的方法确定预应力值。

（4）利用ANSYS软件的APDL参数化语言，编写专门的计算程序，可以使软件自动反复计算，输出要求的预应力和正确的节点坐标，在一定程序上减少了人工参与，提高了计算效率。

【参考文献】

[1] 柯友华，陈波.张弦桁架结构的非线性地震响应及其参数分析 [J].钢结构，2010(03).Vol.25

[2] 陆赐麟，尹思明，刘锡良.现代预应力钢结构（修订版），北京：人民交通出版社，2006，11

[3] 赵宪波，叶继红.张弦梁（桁架）结构的找形方法－分级卸载法[J ].计算力学学报，2007，10

and Membrane Structure[M] .Shanghai: Tongji University Press，2002.（in Chinese））

[4] 张其林，张莉等. 预应力梁－索屋盖形状确定[A] . 第九届空间结构学术会议论文集[C] .2002，387-394.(ZHANG Qi-lin ZHANG Li. Shape Finding of Pretressed Beam-Cable Roofs[A] .Theses of The Ninth Spatial Structure Conference[C].2000.(in Chinese))

[5] 杨睿，董石麟，倪英戈.预应力张弦梁结构的形态分析－改进的逆迭代法[J].空间结构，2002，8（4）：29-34

[6] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M]，北京：人民交通出版社，2007

[7] 龚曙光，谢桂兰. ANSYS操作命令与参数化编程[M]，北京：机械工业出版社，2004

【作者简介】

桁架结构范文第4篇

关键词：体育馆；管桁架；钢结构监理

Abstract: Welding, lifting, folding and unloading of gymnasium pipe truss steel structure installation of the emphases and difficulties, this paper through a gymnasium steel pipe truss structure installation supervision experience, briefly in the process of supervision control points.

Key words: stadium, pipe truss, steel structure supervision

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

1 管桁架钢结构的焊接监理

管桁架钢结构焊接监理应注意焊接工艺评定、焊接人员的控制、焊接常见质量通病的控制。

目前体育馆钢结构采用Q345材质较多（如笔者监理的该体育馆四个场馆均采用Q345材质），国内对于Q345及以下材质的焊接工艺已经比较成熟，即将颁布的《钢结构焊接规范GB50661》更是明文规定Q345及以下材质不需要厂家提供焊接工艺评定，只需提供焊接作业指导书，但是Q390以上材质则必须提供焊接工艺评定，重要的焊接形式建议现场进行评定。

焊接操作人员的素质对于焊接质量起着至关重要的作用，监理应严格检查其特种作业人员操作证和焊工合格证，确保施焊人员是在考试合格范围内持证上岗，对于焊接质量不合格人员，应督促施工单位进行更换。作者在该体育场馆的监理过程中，就遇到部分焊工焊接水平较差，焊缝外观不合格，存在气孔、不饱满等缺陷，探伤时发现存在较大比例焊缝需要返工，通过同施工单位进行沟通，更换了该部分焊工人员，确保焊缝的焊接质量。

管桁架焊接过程中常出现错边等质量通病，在高空对接后出现错边更是不易处理，错边的出现同制作厂的水平和现场安装技术都有关系，管件在卷制时应控制好椭圆度，驻厂监理注意用样板等工具检查，运输时的磕碰也会影响管件椭圆度，所以进场时现场监理也要注意这方面的检查工作。现场预组装也是控制错边的一个重要途径，通过预组装检查高空对接处的错边情况，存在问题的提前处理。

2 管桁架钢结构的吊装监理

体育馆管桁架钢结构吊装，存在吊装件重量大、构件不规则和现场道路条件差等情况，监理过程中应特别注意前期的准备工作，审查吊装方案是否符合国家强制性要求（达到一定规模的吊装需要进行专家论证），检查人员和吊装设备的资料，符合相关规定。吊装前会同各方检查吊装机械的安全元件是否有效，吊装过程中旁站见证，杜绝野蛮操作。该体育馆主桁架跨度达112米，单榀主桁架最重约200吨，且馆内有地下结构及游泳池等土建结构，吊机不能进入，导致钢结构安装时的作业半径很大，其屋盖钢结构的吊装是本工程的难点，解决方案：对该体育馆屋盖钢结构的安装采用大型履带吊在外侧行走吊装，主桁架采取分段吊装就位，分段口设置支撑胎架辅助安装，有效解决了吊装问题。在吊装过程中对吊装构件进行三维测量定位，准确落实构件中心点。吊装过程中对人员安全和财产安全影响较大，监理过程中应特别重视，避免安全事故的发生，在该体育馆某场馆的吊装过程中，吊装人员未按照施工方案选用对应规格的钢丝绳，安全系数不够，不顾监理人员和现场总包方管理人员的指令，强行吊装，最后钢丝绳断裂，砸坏混凝土平台，造成较大经济损失。

3 管桁架钢结构的合拢

带临时支撑的钢结构体系转换成封闭稳定钢结构体系的过程叫合拢，合拢过程中应注意合拢温度的确定、合拢线的布置、合拢工程必须在夜间进行。

合拢温度就是钢结构在合拢过程中的初始平均温度，区别于大气温度，是结构使用中温度的基准点，也称安装校准温度。其确定原则如下：确定结构合拢温度时，首先考虑当地的气象条件，应使合拢温度接均气温，也就是可进行施工的天数中所占比例最大的气温。合拢温度应尽量设置在结构可能达到最低温度之间，使结构受温度影响最合理，从而达到最小构件截面减少用钢量的目的。 确定合拢温度应充分考虑施工中的不确定因素，预留一定温度的允许偏差

合拢线应尽量均匀对称布置，合拢线上的合拢焊缝焊接残余应力，比普通焊缝的残余应力大得多，对称均匀布置合拢线，可以使钢结构系统应力尽可能的均匀，从而达到控制钢结构系统初始应力的目的。

合拢工程对环境温度的具体要求是必须在没有日照的夜间并且在构件温度均匀时进行。

4 管桁架钢结构的卸载

带有临时支撑的钢结构封闭稳定系统，转换成自承重封闭稳定系统的过程叫卸载。卸载过程的安全隐患较多，监理要特别注意跟踪控制。

钢结构安装完成后，支撑架拆除前，必须对整个结构进行全面检查，经总包、监理、设计等相关单位验收通过后方可进行临时支撑架的拆除，同时，卸载必须有各方审核批准的卸载方案。临时支撑架的拆除将根据结构在自重作用下的挠度值，采用分级同步卸载，考虑到人工操作，不可避免产生不同步性，结构卸载分多级卸载，每级支撑点卸载位移值要分析计算，卸载过程中，必须做到缓慢卸载，不可一次卸载到位。在临时支撑点卸载拆除之前，应对结构受力进行验算，将验算结果作为结构卸载的理论依据。

对整个钢结构卸载过程中如发现任何异常必须立即停止卸载，例如:突然的杆件大幅度变形、结构发生异响、支座及节点发生变形等；在卸载操作过程中，必须用全站仪等监测设备对卸载的各个点进行实时监控，确保整个卸载过程稳步、有序、安全的完成，卸载方案中应包括测量监控方案，保留测量记录；卸载拆除的支撑架必须安全有序的吊装到地面处，拆除过程中不可随意抛扔，对部分重要节点处必须任然保留支撑架，观测整个工程重要节点的变形量。卸载过程中应保持支撑架的稳定，避免支撑架倒塌伤害施工人员。

桁架结构范文第5篇

关键字：钢结构；交错桁架；楼板；有限元

1、概述

钢结构交错桁架体系是一种比较典型的复杂结构，目前，对钢结构交错桁架进行整体分析时，要将楼板假定做是刚性楼板，然后进行计算和分析。将楼板假定为刚性楼板是一种近似的处理方式，它和柔性楼板是有区别的。对于混凝土建筑空间结构分析，采用刚性楼板的假定就能够满足结构计算结果的精度要求，但是对于钢结构交错桁架来说，其楼板的传力相对于一般建筑结构来说比较特殊，采用刚性楼板的假定时不能保证结构受力会正确反映楼板承受剪力的特点，进而影响整个交错桁架体系受力分析的精确性。中国工程建设协会推荐制定的《交错桁架体系技术规范》中推荐的行业标准是利用三维的空间分析方法对交错桁架结构进行整体计算和分析。

目前，常用的用于交错桁架结构体系建模计算的有限元软件有SAP2000、ETABS、ANSYS等，本文结合我国现行的规范《建筑结构荷载规范》、《钢结构设计规范》、《民用高层钢结构技术规程》，对某钢结构交错桁架结构进行受力分析，与ETABS、PKPM、SAP2000等软件的计算结果进行比较，分析在钢结构交错桁架结构体系进行计算分析时，采用刚性楼板的假定能否满足结构精度的要求，得出在应用结构分析软件进行钢结构交错桁架结构体系计算时，楼板使用哪种单元模拟更好。

2、工程计算概况

有钢结构交错桁架结构体系层高是2.7米，21层，纵向的钢柱间距是6米，纵向共有12榀桁架，进深为15米，结构的平面图见下图1。

荷载取值如下：楼面的活荷载值是2kN/m2，附加的楼面恒载值是1.0kN/m2，屋面的活荷载值是1.5kN/m2，基本风压值取为0.35kN/m2，场地的抗震设防烈度是6度，地震设计基本加速度值是0.05g，地面粗糙度是B类。设计地震分组是第一组，场地类别是C类。结构为不落地桁架的构造形式的交错桁架体系，在第一层及顶层没有桁架的地方分别设置有支撑和吊杆，这样可以增加楼板和屋面板的刚度和稳定性。

由各个软件在柔性楼板和刚性楼板下的计算结果可知，交错桁架结构空腹节间弦杆处的剪力都较小，差别很小，软件计算的柱子轴力和手算的结果比较接近。就整个结构而言，柱子以承受竖向轴力为主，剪力主要是依靠交错桁架的斜腹杆来传递和承担，由此，按照力学的平衡原理可以推出桁架结构其他杆的内力相差不大，即钢结构交错桁架结构体系在侧向荷载作用下，假定楼板为刚性时能够反映结构的受力特征，满足结构整体的精度要求。

对于ETABS、PKPM、SAP2000的计算结果，通过对比纵向框架梁的剪力可以看出，ETABS和SAP2000计算得到的纵向框架梁面内剪力有跳跃，说明纵向框架梁上有集中荷载的作用，这说明荷载是按照有限元的方式传递的；PKPM的计算结果中纵向框架梁剪力图是平直的直线，这是把理论计算的结果直接平均到了框架梁上。可见ETABS和SAP2000的传力方式更加贴近实际、合理。

5、结论

通过对比和分析以上不同软件、不同计算假定对钢结构交错桁架结构体系的计算结果，可以看出，对钢结构交错桁架结构体系来说，在计算分析时，假定楼板为刚性楼板是合理的，有限元计算分析时基于空间协调的刚性楼板的假定是满足计算精度要求的。对于ETABS、PKPM和SAP2000三个计算软件来说，就钢结构交错桁架结构体系的计算分析而言，ETABS和SAP2000的计算结果精度高于PKPM的计算结果。

参考文献

[1] 赵宝成，顾强等.交错桁架结构楼板受力性能的实验研究[J].武汉理工大学学报， 2009年第13期

[2] 北京金土木软件技术有限公司.ETABS中文版使用指南.中国建筑工业出版社， 2005-05

[3] GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S]

[4] GB 50017-2003，钢结构设计规范[S]