大跨度钢管桁架结构设计分析
[摘要] 近些年来，随着经济的发展，钢产量的提升。大跨度结构迅速发展，钢管结构以其力学性能优，造型适应性好，建筑表现力佳而越来越受到建筑师和结构师的青睐。由于生产工艺及空间的要求，厂房的屋面也开始采用大跨度结构，钢管桁架屋面梁由于可以充分利用材料的特性，本文结合某工业厂房为例,对管桁架结构设计和施工进行了阐述，仅供同仁参考。
关键词：钢管桁架设计施工吊装
一、钢结构厂房设计的要点
1钢结构厂房设计采用的结构体系
钢结构厂房因为工艺布置的要求，一般都需要大空间，结构通常采用框架结构，在层数较多、工艺条件许可的情况下也可以采用框剪结构。结构布置的原则是：尽量使柱网对称均匀布置，使房屋的刚度中心与质量中心相近，以减小房屋的空间扭转作用，结构体系要求简捷、规则、传力明确。避免出现应力集中和变形突变的凹角和收缩，以及竖向变化过多的外挑和内收，力求沿竖向的刚度不突变或少突变。由于多层厂房跨度方向尺寸较大，柱子少；而柱距方向尺寸较小，柱子多。一般都是横向控制，使纵横向的抗震能力大致相同，不仅有利于抗震，也使设计更为经济合理。
2框架结构的节点设计
连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一，“三强”设计原则中有两条涉及到节点的设计.在结构分析前就应对节点的形式有充分思考与确定，最终设计的节点与结构分析模型应与使用形式完全一致.按传力特性不同，节点分刚接、铰接和半刚接.
节点设计主要包括以下内容：①焊接.对焊接焊缝的尺寸及形式等，规范有强制规定，应严格遵守，焊条的选用应和被连接金属材质适应，E43对应Q235，E50对应Q345，Q235与Q345连接时应该选择低强度的E43，而不是E50.焊接设计中不得任意加大焊缝，焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近.②栓接.普通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用.高强螺栓使用日益广泛，常用8.8级和10.9级两个强度等级，根据受力特点分承压型和磨擦型，两者计算方法不同，高强螺栓最小规格M12，常用M16~M24，超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用. ③连接板.可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm，然后验算净截面抗剪等. ④梁腹板.应验算栓孔处腹板的净截面抗剪，承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压. ⑤节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等，此外，还应尽可能使工人能方便地进行现场定位与临时固定.
⑥节点设计必须考虑制造厂的工艺水平，比如钢管连接节点的相贯线的切口需要
数控机床等设备才能完成.
二、工程概况
1、工程概况
该项目位于江苏省昆山市，为框排架结构，局部二层,一层为钢筋砼柱，钢结构屋面，局部二层为钢筋砼框架结构，独立承台桩基础。由于该厂房的平面尺寸达到200mX120m,所以采用设置伸缩缝。排架柱的柱距为6m。钢屋面的最大跨度为48m（见图一），最终选用管桁架作为单榀钢屋架，，钢屋架与钢筋砼排架柱通过设置牛腿连接。钢屋面的垂直支撑采用管桁架，已保证钢屋面的侧向稳定。由于钢屋面的跨度较大，在制作加工时对管桁架的跨中按照进行L/500(L为屋架的跨度)预先起拱，以减小钢屋架的挠度。
2、钢结构设计
2.1主要结构材料：
钢管桁架屋面梁的上弦杆：φ219x10，下弦杆：φ203x10，斜腹杆：φ102x6,垂直腹杆：φ63x4.0，材质全部采用Q345B型钢材（屈服强度为345N/mm² ）
2.2计算荷载
荷载计算包括钢结构自重荷载、屋面板自重荷载、屋面活荷载、风荷载（左风和右风）。
2.3节点设计
节点焊接采用钢管相贯节点连接，焊缝为E50XX型，全熔透焊接。采用T、Y、K钢管的相贯节点的验算公式进行验算。
由于圆钢管杆件具有截面各向等强、无弱轴、抗扭刚度大、密闭空间防锈性能较好等优点，但是由于相贯节点杆件和节点设计的独立性小，决定了杆件的节点性能。
三、结构设计
本工程属于某大型企业二期工程,要求室内大空间,根据建筑及工艺设备要求,
采用平面钢管桁架结构,桁架间距6 000,各榀桁架之间采用纵向支撑进行连接,结构计算采用钢结构设计程序3D3S计算,采用SAP2000软件进行复核。本工程主桁架为平面拱形桁架,半径为24 m,上弦杆采用热轧无缝钢管*******,下弦杆采用热轧无缝钢管*******,腹杆采用两肢热轧无缝钢管******,上下弦杆垂直距离1 600 mm,跨度L=46.5 m;桁架跨度大,平面外刚度小,故各榀桁架间采用K形支撑系统以保证平面外稳定性,支撑横杆采用热轧无缝钢管******,两肢采用热轧无缝钢管76@4.0。
四、施工质量控制
3.1 原材料质量控制
本工程所使用的主要材料均采用Q235焊接钢管。材料采购时选择信誉好、质量稳定的大企业生产的材料。材料进厂后组织监理工程师、甲方代表、项目部质检人员对到货的材料进行初验,核对合格证书、炉号、规格品种、主要技术性能是否符合设计要求,对材料的外观和尺寸进行检查,要求表面无明显锈蚀、麻坑等缺陷。根据GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范的要求对材料进行抽样送检,经检测合格,监理工程师签字同意后方可进行下料加工。焊接材料电焊条进场时要检查材料的质量证明书并对焊条进行外观检查,要求所有的焊条药皮应干燥牢固、完整、不能有裂纹、气孔及刻痕等。
3.2 加工制作质量控制
3.2.1 数控相贯线切割机加工
由于主材均采用圆钢管,腹杆与主管连接均为相贯连接,因此,腹杆端头必须加工成立体曲面,与上、下弦主管的相应位置立体曲率相吻合。并且,为满足焊接要求,杆件端头边缘需按要求切割成一定的坡口角度,这靠人工是很难完成的,需用三维以上的数控切割机加工才能保证质量。为了保证钢管材的加工质量,本工程所有钢管原材加工制作均在加工厂内进行;为满足运输和对接焊缝错开设置要求,将上、下弦杆分七段进行下料制作;经预拼装检验合格后,分七段制作;把各段运至现场,在现场进行正式组装焊接。
在确定杆件长度时考虑焊接收缩量,按JGJ 81-2002建筑钢结构焊接规程执行,各杆件每个接口的收缩为1 mm。上、下弦杆曲率的加工在工厂内用中频数控弯管机进行弯管。
3.2.2 车间拼装质量控制
各构件出厂前应做预拼装检验,合格后方准出厂。车间预拼装是检验杆件加工质量的最好办法。预拼装在相应的拼装架和胎架上按照设计图纸要求进行整跨拼装。车间预拼装完成后,项目部质检员及监理工程师到场共同验收,检查桁架的长度、高度、接口偏差、坡口间隙等是否满足钢结构工程施工质量验收规范要求。预拼装后分为七段制作,做好组装顺序、编号等各项记录,便于运输和现场拼装。
