桁架杆机构的优化设计

空间桁架结构是将杆件按一定规律布置，通过节点连接瓤成的一种抒系结构，具有经济、跨越能力大以及形式活泼新颖等优点n3．由于是空间超静定结构，力学分析和结构设计都较为复杂，采用计算机辕韵优化设计，对减轻结构重遗、降低缕构造徐有饕重要意义．在桁架结构中根据锫杆件的受力，合理选择杆件截丽尺寸，使其在满足多种约束条件的前提下最大限凌缝承受骜载，就可以达裂减轻结构重量、降低结构造价的目的

桁架结构优化问题可以表述如下：以雄杆桁架结构系统蠹研究对象，该系统基本参数

设各杆截面积为设计变量：工=[x1，x2，．．．，Xn]T，目标函数可写为：minʃ(x)= 𝜌𝑛𝑖=1xtLi；

约束包括：σt≤σta(i一1，2，⋯，刀)

“μj≤μja“； (j=1，2，⋯，n)

Amin≤xt≤Amax(i=1，2，⋯，n)

式中：xt为第i杆件的截面面积，

Lt为第i杆件的长度，

ρ为材料密度，

σt、σta分别为第i杆的应力和允许应力，

μj、μja；分别为第J节点的位移和位移限值，

Amin、Amax；分别为杆件截面积的上、下限．

桁架与框架同属于杆系结构，在结构工程、工民建等有着广泛的应用，是常见但又

重要的结构形式。杆系结构的失效模式很多，其中有代表性的是结构的整体和局部届曲

失稳。随着设计和施工水平的不断进步，杆系结构正向着大跨度、轻柔化的方向发展，

因此对结构稳定性的要求越来越高，需要准确的稳定性理论分析和数值计算方法。

桁架结构的稳定性理论已有两种：几何非线性特征值稳定性理论和几何非线性临界

点理论。其中几何非线性特征值稳定性理论出现的最早。国内外的许多学者们一直沿用

这个理论来解决整体稳定性问题。但是，近些年来，人们发现，用这套稳定性理论时会

出现一些问题，比如应力过高，有时甚至会超过材料的许用应力．结构在整体失稳之前

已经局部欧拉失稳或发生材料屈服。于是线性欧拉理论和非线性欧拉理论这些新的计算

结构稳定性问题的方法被提出来。如何应用正确的理论解决桁架结构与框架结构的稳定

・１３８・　规划设计　综述拱桁架结构优化设计　田伟明　（天津华汇工程建筑设计有限公司，天津，３００３８４）　【摘要】拱桁架结构是当前大跨度建　筑结构设计中经常应用到的一种设计方式，　这种结构方式不但能够很好的满足大跨度的　屋盖设计需求，而且可以通过合理的设计来　降低工程的施工总成本。因而极受设计人员　的青睐。本文结合实际工程案例，对优化拱　桁架结构的设计方法进行了讨论分析，指出　了在本工程的拱桁架设计中，采用拉杆拱桁　架可有效降低工程施工难度，并且能够实现　更好的经济效益。　【关键词】钢结构；拱桁架；拉杆型；　优化设计　随着社会发展的需求不断增多，建筑结　构的设计形式也发生了很大的改革，由传统　的较为单一的建筑结构设计形式逐渐转变为　多样化、现代化的结构设计。其中钢结构就　是这样一种在新的社会需求下发展而来的建　筑结构形式，而且就钢结构而言，在材料和　技术不断改进的情况下，也有了很多不同结　构形式的发展。拱桁架结构作为钢结构设计　形式中较为常见的一种结构设计方法，是相　对来讲受力最合理、旅工最经济的一种结构　形式。　１、拱桁架结构的概述　就目前我国的拱桁架结构设计发展现状　来讲，拱桁架按照支座的不同可以分为不拉　索和杆、拉索以及拉杆等三种不同的结构设　计方式。这是因为在拱桁架的结构中，拱所　承受的荷载是通过曲杆来抗衡，并将去传递　到支座而实现整体受力的。也就是说，拱桁　架结构的支座在承受荷载时，不但需要受结　构上部对其的竖向压力，而且还要承受因拱　结构传递而来的水平推力。为了平衡这两种　应力，处理好支座的结构是关键。　一般来讲，支座化解水平推力的处理方　法有两种形式，其一是将推力完全由支撑结　构来承受，其二是在拱桁架下部设置一定的　下弦单拉杆，通过拉杆来承受推力　第一种　方案中，由于支座要承受所有的推力，因此　负荷很大，对其构件质量也提出更高的要求，　施工所用材料较多，而第二种则是将推力通　过杆件分散出去，对于支座的构件要求不是　太高，施工用料则较为节省。为此，一般在　采用拱桁架结构进行施工时，大都会采用拉　杆的方式来进行结构设计。　２、工程实例概况　在某地区的一个生态园区的发展建设　中，为了满足生产的需要，要在园区内建造　一个钢屋盖结构的大空间、大跨度建筑。在　对工程进行设计的过程中，设计人员将屋盖　结构的主体设计为采用钢管立体桁架的结构，　其跨度为６０　ｍ，柱距为８．１　ｍ，设计基准期为　５Ｏ年，设计使用年限为５Ｏ年，建筑结构的安全　等级为二级，结构重要性系数ｒ０＝１．０。根据　ＧＢ５０２２３－－２００８《建筑结构设防分类标准》　和ＧＢ５００１　ｌ—２００ｌ《建筑抗震设计规范》的　要求，本地区抗震设防烈度为６度（Ｏ．Ｏ５　ｇ），设　计地震分组为第一组，地类别为ＩＩＩ类，特征周　期Ｔｇ＝０．４５　ｓ。根据ＧＢ５０００９－－２００１《建筑结　构荷载规范》的要求，本地区基本风　压：Ｗ０＝０．４　ｋＮ／ｍ２，基本雪压：Ｓ０＝０．２５　ｋＮ／ｍ２，　温度作用：±３Ｏ℃。屋面恒荷载：上弦Ｏ．６Ｏ　ｋＮ／ｍ２（不含自重），屋面活载：Ｏ．５　ｋＮ／ｍ２。　３、结构设计方案的制定　在本工程的设计中，因为开发商要求所　设计的建筑结构应以简单大方为主要风格，　确保建筑的大空间需求，整个建筑结构要流　畅美观，所基于综合考虑后，设计人员认为　这种大跨度、大体量的建筑施工应当采用网　架结构为最佳的结构设计方案。在经过对比　分析后，最终决定选用拱桁架结构作为最终　的建筑结构设计方式。　在本设计方案中，出于对结构要求和经　济要求两方面的需要，设计人员在拱桁架结　构的支座之间设计了拉杆结构，以此来减少　支座所承受的水平推力。　４、结构方案的｝　较分析　在对结构设计方案进行制定时，设计人　员提出了几种不同的设计方法，对所有的设　计方案进行了模型设计，对其各自的参数进　行了计算分析，并对分析了每个方案下的结　构受力特点。具体的方案对比方法如下所示：　４．１计算模型及其参数　在以往的桁架模型计算分析中我们知道　拱桁架结构本身为平面结构体系。因此，本工　程选用一榀拱桁架为计算模型。结构的跨度　为６０　ｍ，矢高为７．５　ｍ，横截面为倒三角形　根　据结构设计要求，在选择钢材料时选用了　Ｑ２３５Ｂ钢，其弹性模量：Ｅ＝２．０６Ｅｌ　１Ｎ／ｍ２，屈服　极限：ｏｓ＝２３５Ｅ６Ｎ／ｍ２，张弦拱桁架支座为一端　刚接，一端铰支，文章采用ＡＮＳＹＳ程序进行分　析。拱桁架的上弦、下弦、腹杆和撑杆采用　ＬＩＮＫ８模拟，撑杆与下弦、拉索之间视为铰接，　拉索方案的拉索采用ＬＩＮＫ１０模拟，而拉杆方　案的拉杆采用ＢＥＡＭ１８８模拟。　４．２单榀拱桁架的受力分析　对于单榀拱桁架结构的受力特点进行分　析时，我们分别对其各自的静力进行了分析，　并最终得出选用拉杆作为支座之间的连接方　式是最具有经济价值和实用价值的，且这种　设计方案的抗震性能更好。具体的方案设计　方法和受力分析分别如下所示：　静力分析是结构的基本分析，在该分析　中，着重考虑结构的工作状态，即考虑了结构　的自重、恒载、活载、风载，将荷载以集中力　的方式作用在上弦各个节点上。　４．２．１　Ｉ方案拱桁架支座为两端铰支，其　最大位移出现在跨中，值为５４．２　ｍｍ，下弦杆　的内力最大，值为１０１　ＭＰａ。　４．２．２ＩＩ方案中，考虑了索的预应力，通过　调整张弦桁架中索的初始应变的方式施加预　应力，对结构初始形态预起拱，按规定，几乎所　有结构刚度不足工程均不需要对结构在荷载　下产生的弹性位移进行控制，而通过结构的　初始几何形态的预起拱实现结构正常使用的　变形性能安全设计目标。但此时，结构的绝对　位移值超过２５０　ｍｍ，如此大变形对屋面围护　次结构、屋面防水连接构造的正常使用的安　全性能将产生严重不利影响。　４．２．３１Ｈ方案中，将拉索换为拉杆，其最大　位移出现在跨中，值为８７．８　ｍｍ，下弦杆的内　力最大，值为９１．８　ＭＰａ。　４．２．４方案分析　在设计人员通过一定的方法对上述三种　不同的方案进行受力分析对比后，得出在这　３个结构方案的最大位移均出现在拱桁架的　跨中，其最大位移也符合规范对挠度的控制　标准。从３个方案的经济技术指标的角度来　讲：Ｉ方案的用钢量和支座反力最大　而这恰　恰与甲方要求用钢量低、对下部结构负荷小　的要求相违背；ＩＩ方案在索施加预应力的作　用下，用钢量最省，如对索施加预应力来达到　控制结构挠度的要求，则所施加的预应力较　大，其索力约为６７０　ｋＮ，上弦杆的断面也相应　的增大，而且，施工难度比较大；ＩＩ１方案的用钢　量和支座反力居于Ｉ方案和ＩＩ方案之间，且　施工也不难，挠度也满足规范的要求。　由于　结构的自振特性是结构动力的基本性质，也　是动力分析的基础。对结构进行动力特性分　析可见。拉杆方案的基频远大于拉索方案的　基频，则说明Ⅲ方案的面内刚度大于ＩＩ方案　的面内刚度，抗震性能良好。　５、结语　通过本文的研究探讨可以看出，在本工程　中，为了同时满足结构设计的技术要求、结构　的外观美学要求以及工程项目的经济性要求，　设计人员在进行对比分析后最终确定了采用　拱桁架结构进行施工，并且以拉杆的方案对支　座间进行了设计，经过实践表明，这种优化后　的设计方案取得了良好的工程效果。笔者希望　通过论述本工程的实践经验，为其他类似的建　筑工程施工设计提供一些参考。

谈大跨度桁架通廊的优化设计

摘要：桁架在工业设计中较为普遍，但对于大跨度的桁架通廊一般较少接触，笔者结合2500m3高炉工程上料主胶带机通廊的设计过程，通过电算分析桁架弦杆、腹杆计算长度系数确定，节点板设计、施工时的注意事项，介绍在设计过程中的一些经验。

关键词：大跨度桁架 计算长度系数 节点板设计

中图分类号：tu7文献标识码：a文章编号：2095-2104（2012）

1 引言

桁架主要是轴心受力构件(拉杆和压杆)组成的的格构式扩大构件，用以承受横向荷载和跨越较大的空间，当跨度较大采用实腹式受弯构件将造成多费钢材时，就需采用桁架。目前工业项目自动化程度逐步提高，工程项目规模越来越大，尤其是工业项目中，为满足工艺及空间利用的要求，桁架的使用较为普遍，笔者结合2500m3高炉工程上料主胶带机通廊钢桁架工程，对大跨度桁架的优化设计，介绍自己的处理方法。

2 工程概况

本工程为2500m3高炉工程上料主胶带机通廊，通廊总长度(平面尺寸252.8米)，通廊爬升角度约为10.863º，通廊支座最高点距地面53.42米，支座最低点距地面6.52米，通廊支座高差47.8米。由于通廊需穿越多条铁路、公路及部分高炉附属设备构筑物，共有支架 5个，包括1个固定支架、4个活动支架。

通廊最高点支承于高炉42.3米钢平台上，通廊最大跨度66.720米(斜长)。通廊断面为4.8×5m(宽×高)，通廊维护结构采用100厚彩色岩棉复合夹芯板。

本工程地处八钢，实际计算时，荷载取值如下(均为标准值)：

屋面积灰荷载：1.0kn/m2(高炉中心≤50米范围内)；通廊内平台灰荷载：0.5kn/m2；

屋面雪荷载：0.8kn/m2；

风荷载(距地面h=10米)：0.8kn/m2，按距地面55米高计算，风荷载取1.35 kn/m2；

【摘 要】随着钢桥跨度的增大以及焊接技术的成熟，板桁结合加劲梁是桥面板与钢桁架结合共同受力的一种新型组合结构，而整体节点杆件的制造也有着非常广泛的应用。本文围绕公路悬索桥板桁结合加劲梁整体节点上弦杆的结构特点和制造难点，从零件加工、单元件接料、杆件组焊、杆件制孔及吊索耳板加工等精度控制措施，介绍了此类杆件的制造技术。

【关键词】板桁结合 整体节点 精度 控制措施 制造技术

1 引言

悬索结构以悬索为主要承重结构，其传力途径简捷明确，一般荷载由吊索传至主缆，再传至锚墩。悬索桥构造简单，受力明确；跨径越大，相对来说材料耗费越少，桥的造价越低。板桁结合加劲梁是桥面板与钢桁架结合共同受力的一种新型组合结构，其竖向抗弯刚度大，抗风稳定性好，抗扭性能好，且杆件构造简单、轻便，易于标准化制造，便于运输和用悬吊法拼装，不受地形、航道和季节的影响，因此目前在大跨度悬索桥中被普遍采用。在板桁结合加劲梁各类杆件的制造中，制造难度最大、精度和受力要求最高的当属整体节点上弦杆。

本文以贵州至瓮安高速公路清水河悬索大桥为依托，围绕板桁结合加劲梁整体节点上弦杆的结构特点和制造难点，介绍此类杆件的制造技术。

2 工程简介

清水河大桥为世界跨径最大的山区板桁结合加劲梁悬索桥之一，主跨1130m。加劲梁包括钢桁架和正交异性钢桥面板两部分，钢桁架由主桁架、主横桁架和下平联组成，主桁架采用整体节点杆件连接，为带竖腹杆的华伦式结构，由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成。主桁架的桁高为7m，标准节间长为7.6m，两片主桁架左右弦杆中心间距与主缆间距相同，为27m。桥梁全貌见图1，标准横断面图见图2。

以下是整体节点上弦杆结构特点和制造难点。位于该桥主跨跨中处，在主缆与加劲梁之间设有3对柔性中央扣，此处的整体节点上弦杆结构最为复杂，制造难度最大，在制造工艺上具有代表性，其主要结构特点和制造难点如下：（1）每根上弦杆的长度为两个节间，有两个整体节点，在小节点处连接竖腹杆的节点板与吊索耳板共为一体，在大节点处连接斜、竖腹杆的节点板与中央扣耳板共为一体。整体立体图，见图3；节点处剖面、端头处剖面见图4、图5。（2）在一个整体节点上有三种连接方式：销接、栓接和焊接。（3）杆件长、断面小、钢板薄，即杆件长细比较大。（4）杆件与桥面横梁连接，横梁接头板数量多，且位于杆件的一侧，所以上弦杆横断面属于非对称结构。（5）由于加劲梁为板桁结合结构，上弦杆上水平板伸出段作为桥面板的一部分，并在节点部位开槽，使杆件内侧整体节点板从槽口穿出，作为连接吊索或中央扣的耳板。（6）由于整体节点板与耳板于一体，在杆件组装时耳板需要穿出上水平板，所以需要在杆件组焊后再组焊耳板吊索孔的补强板，增加了耳板厚度公差的控制难度。（7）由于上弦杆直接与吊索连接，是加劲梁中主要的传力杆件，加之其构造的特殊性，杆件上的焊缝种类多，熔透焊缝及深坡口焊缝多，焊接量大，焊缝不对称，且杆件断面小，很容易使杆件产生扭曲、弯曲变形，给杆件的焊接变形控制带来很大难度。（8）本桥架设采用整体节段吊装，节段间的连接为多拼口、多方位、多角度对拼，对杆件的尺寸精度、栓孔重合率提出了更高的要求。