陈劲松 赵 翔

(1.沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110001;2.江苏省财政厅，江苏 南京 210001)

1 工程概况

某公司一铝矿堆取料场，需建一防雨棚，主体结构横向跨度55 m，纵向总长324 m，建筑面积达17 820 m2。厂房檐口标高约16.100 m，屋脊标高约23.975 m，开敞式，屋面采用压型钢板。经过技术方案比较，确定采用门式空间管桁结构，每榀间距9 m;因纵向长度超长，设置伸缩缝将结构平面分成两部分。工程竣工图见图1。

图1 竣工图

2 结构设计

2.1 管桁结构

承重管桁结构外形类似门式刚架，梁、柱均采用变截面三角形空间钢管桁架结构。梁桁架由上部的单根钢管及下部的两根钢管分别形成上、下弦杆，柱桁架由外侧的单根钢管及内侧的两根钢管分别形成内、外弦杆，结构是梁、柱弦杆贯通、腹杆与弦杆间采用相贯节点连接起来的空间结构。屋面梁桁架由两种坡度组成，在桁架的1/4跨度形成一拐点，坡度分别为i=0.4和i=0.15。桁架柱脚与基础通过锚栓连接。梁桁架截面三角形底边长0.8 m，端部截面高度约为2.5 m，跨中约为 2.0 m;柱桁架截面三角形底边长0.8 m，柱底部截面高度约为0.8 m，柱顶部约为2.5 m。钢管桁架上弦钢管规格为φ245×8，下弦钢管规格为2φ180×8，腹杆规格分别为φ102×6，φ83×5(见图2)。

图2 门式空间管桁结构

2.2 支撑布置

每榀管桁结构之间由柱间垂直支撑，屋面水平支撑及空间系杆连接，以保持整个结构体系的稳定。柱间及屋面支撑均采用十字交叉式圆钢管作为支撑，同时在梁桁架的屋脊处、拐点处及檐口部位布置五道通长三角形空间管桁架结构作为刚性系杆，在柱间半高处布置一道通长三角形空间管桁架结构作为刚性系杆，从而使整个结构形成刚度较强的空间几何不变体系(见图3)。

图3 屋面支撑布置示意图

3 荷载取值及材料

3.1 设计荷载取值及工况组合

1)管桁架的主、支钢管自重由计算程序自动导算;屋面永久荷载、活荷载及雪荷载均根据GB 50009-2001建筑结构荷载规范的规定取值;屋面积灰荷载0.5 kN/m2。

2)风荷载:基本风压0.4 kN/m2。地面粗糙度为B类。

3)地震作用，本工程抗震设防烈度为7度(0.15g)，设计地震分组为第一组，Ⅱ类场地土，阻尼比为0.05。

3.2 材料

管桁架受力钢管:Q345B;铸钢件G20Mn5;支撑系统钢管:Q235B。

4 计算分析

结构计算软件采用了中国建筑科学研究院PKPM钢结构软件按平面桁架建模计算，所有杆件间的连接均为铰接，管桁架与基础间定义为铰接。通过计算出平面桁架内力结果，根据结构力学空间分解出上下弦杆及各腹杆的内力，对主要受力杆件的应力，按钢材强度设计值的90%控制。以后，又通过STATT.PRO软件空间建模进行了计算分析及校核，最后得出如前所述各杆件截面。

结构应力计算分析及稳定验算中主要考虑以下几种荷载组合工况:1)1.2恒载 +1.4 活载;2)1.2 恒载 +1.4 ×1.0 风载;3)1.2恒载 +1.4 ×0.9 活载 +1.4 ×0.9 风载;4)1.2 恒载 +1.4 ×0.5活载 +1.3×1.0地震荷载;5)1.2恒载。由于结构跨度较大，根据分析结果，可得控制结构应力的最不利荷载工况组合为:1.2恒载 +1.4×0.9 活载 +1.4 ×0.9 风载，而有地震参与的组合不起控制作用。

该管桁结构在工程施工完成后，钢材用量经过统计，每榀门式钢管桁架重量16.8 t，总量约635 t，单位面积用钢量36 kg/m2;支撑系统用钢总量约142 t，单位面积用钢量8 kg/m2;防雨棚的结构总用钢量约为1 087 t，单位面积总用钢量约64 kg/m2。

5 节点设计

5.1 相贯节点

管桁结构的主管与支管间主要采用相贯焊接，多数的相贯节点是由几个主支管汇交而形成三维空间薄壁结构，应力分布十分复杂。钢管节点静力极限承载力为节点主管壁承受过度局部屈曲变形而造成破坏时，作用在支管端部的最大轴向压力。节点承载力的设计决定了整个结构体系承载性能，节点的破坏往往导致与之相连的若干杆件的失效，从而使整个结构破坏，所以管桁结构的节点设计非常重要。

本结构管桁上弦节点主要为空间KK形节点，下弦节点为K形节点。设计时根据GB 50017-2003钢结构设计规范中节点承载力设计公式进行计算。表1举出梁桁架中两个起控制作用的节点承载力计算结果，可知支管轴心内设计值均不超过节点承载力设计值，满足设计要求。

表1 两个起控制作用的节点承载力计算结果表

5.2 铸钢件节点

在管桁架的内侧弦杆折拐处节点，由于相交的杆件较多，共有7根管在此相连，为防止焊接应力集中并减少残余应力的影响，设计中采用铸钢件节点。

为了能够真实地反映出该铸钢件节点的受力状态，利用有限元分析软件ANSYS，建立了与钢管相连的铸钢件的节点模型(见图4)。

图4 铸钢件节点有限元模型

铸钢件如图5所示，为准确模拟该构件在荷载作用下的受力和变形状态，采用块体单元模拟铸钢件连接节点。

图5 铸钢件详图

铸钢件材质采用G20Mn5钢，屈服强度设计值300 N/mm2;钢管采用Q345B钢，屈服强度设计值310 N/mm2。铸钢件节点作为塑性材料，通过按第三、第四强度理论校核其强度，并最终确定铸钢件的外形尺寸及壁厚均满足设计要求。

5.3 柱脚节点

本结构柱脚采用了外露式柱脚(见图6)，但由于柱脚部位存在较大的水平推力，最不利组合可达近200 kN。在柱脚底部钢板下对应钢管处设置了3块抗剪键抵抗水平推力。

图6 外露式柱脚

6 结语

1)由于本工程管桁结构的跨度、高度较大，经计算分析，风荷载组合对结构起控制作用，地震作用参与的组合不起控制作用，故在7度设防情况下，水平地震作用可以忽略。同时在纵向设置了伸缩缝，本工程忽略温度作用对结构的影响，仅进行了单榀桁架的平面结构分析。

2)相贯节点和铸钢件的设计为一重点，由于节点采用相贯焊接，因此对焊接工艺及加工设备都有一定的要求，焊接中需要控制焊接收缩量，减少残余应力，焊接质量要求较高。柱脚处节点水平推力的作用是一个不容忽视的问题，应予以高度重视，防止基础侧移破坏。

3)管桁结构节点形式简单，体现了钢管结构的轻巧、美观。并且整体空间结构刚度大，几何特征好，节省材料，日常使用中也便于防锈及清洁维护。工程已建成使用5年，目前使用情况良好。

[1]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[2]GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S].

[3]GB 50205-2001，钢结构工程施工质量验收规范[S].

[4]GB 50011-2001，建筑抗震设计规范[S].