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大跨度拱形钢结构桁架设计探讨作者：刘俊江来源：《中国新技术新产品》2013年第16期摘要：随着工程施工的发展以及施工需求的不断增长，在工程建筑施工中，对于大跨度拱形钢结构形式的应用越来越多，进行大跨度拱形钢结构桁架设计分析，有利于提高大跨度拱形钢结构桁架的设计水平，提高工程结构施工建设质量水平。
本文将以某大跨度拱形钢结构工程为例，结合该工程的具体特点与施工条件，对该工程的立体管桁架设计进行分析论述。
关键词：大跨度；拱形；钢结构；桁架；设计；地面拼装；空中拼装；分析中图分类号：U446 文献标识码：A某大跨度拱形钢结构立体管桁架设计工程是某地区的体育中心工程项目，该项目是一个综合性的室内体育馆建筑工程项目，施工建设的总面积约为14000多平方米，在进行该工程项目的施工建设中，工程的屋盖部分采用钢结构形式进行设计施工建设，工程屋盖钢结构形式主要是由24榀的大跨度变截面拱形立体管桁架壳体通过平行穿插方式构成的，如下图1所示，为该工程项目的屋盖整体结构形式示意图。
在进行该工程项目的屋盖结构部分设计与施工中，屋盖结构体系的总长度设计约为167米，屋盖部分施工的总用钢量约为870吨。
在该工程项目的屋盖结构部分中，屋盖结构体系中的壳体结构主要是由一些倒三角形的横向梭性管桁架以及纵向的方管檩条，在孔径大小为36的圆钢拉索共同作用下构成的壳体结构形式，在该壳体结构形式中，将桁架底座设置为与45度角的斜面混凝土支墩进行铰接，以保证该工程屋盖结构部分的应力平衡，保证结构的设计与施工质量。
此外，在该工程项目的大跨度拱形钢结构屋盖体系设计中，为方便对于该部分的施工建设，将工程项目中的整个屋盖结构体系按照功能不同划分设计为四个结构区域，即A、B、C和D，其中，屋盖结构体系中A区域为7榀桁架区域，该结构区域跨度大小总共设置为73米，该结构区域的拱形高度约设置为21米，施工建设中使用的单榀桁架重量约为37吨；而在该工程项目屋盖结构体系的B区域部分，主要为10榀桁架区域，总跨度设计约为66米，拱形结构高度约设置为20米，单榀桁架重量约为24吨；C区域为7榀桁架区，该区域的总跨度约为62米，拱形高度约为16米，单榀桁架重量约设计为23吨；最后，在该工程项目屋盖结构体系的D区域中，主要设计为1榀桁架区，总跨度约为39米，拱形高度约为10米，单榀桁架重量约为21吨。
63实验与研究工程结构静载试验是考虑结构或构件在静力荷载作用下的变形、内力变化，以评定其工作性能及承载能力。
1 建筑结构概况某大剧院主体部分可划分为前厅、观众厅、舞台、商业区四大部分。
其中舞台口大梁（跨度24m ）、舞台屋盖（跨度23.6m ）和观众厅屋盖（跨度34m ）为空间平面钢桁架结构，其构件采用Q345钢材[1]。
剧院屋顶钢桁架结构如图1所示。
整个建筑的抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.15g ，设计地震分组为第三组，建筑场地类别为Ⅱ类，建筑抗震设防分类为乙类[2]。
图1 钢结构桁架屋盖示意图2 现场荷载试验2.1 试验目的和内容试验设计荷载作用下的理论分析计算是评价结构工作及安全性能的重要指标[3]。
因此，试验前对该剧院钢桁架结构进行了理论计算分析和加载方案设计，之后进行现场静力荷载试验。
试验按照规范要求确定试验荷载值，记录主舞台葡萄架和葡萄架上方主要构件截面在各级静力荷载作用下的挠度、应变（应力）等数值的变化[4-6]，验算各杆件强度和稳定性以及分析最大挠度和最大应力应变。
通过检验系数的计算，研究结构的承载能力[7]，验证结构的可靠性。
此次加载试验内容有：1）对试验主舞台葡萄架、下弦檩条及吊杆进行理论分析，确定其控制截面的内力；2）根据试验主舞台葡萄架、下弦檩条及吊杆的具体情况，设计静力荷载试验方案；3）对试验主舞台葡萄架、下弦檩条及吊杆依据试验方案进行现场静力试验。
2.2 加载方案根据现场条件，本次试验采用注水法模拟重力荷载，将4个15×3m 水池搭设于葡萄架上，通过水深控制荷载大钢桁架结构静载试验与理论分析Static load test and theory analysis of steel truss structure辛钰林1 冯大哲2 徐少波2（1甘肃第七建设集团股份有限公司，甘肃 张掖 730050；2兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050）摘要：为检测某新建剧院钢桁架结构的承载能力并验证其投入运营后的安全性，对主舞台葡萄架及上方承受荷载较大处的钢桁架下弦檩条及吊杆进行了现场静力荷载试验及理论分析。
renchunmin一、设计计算资料1. 办公室平面尺寸为18m ×66m ，柱距8m ，跨度为32m ，柱网采用封闭结合。
火灾危险性：戊类，火灾等级：二级，设计使用年限：50年。
2. 屋面采用长尺复合屋面板，板厚50mm ，檩距不大于1800mm 。
檩条采用冷弯薄壁卷边槽钢C200×70×20×2.5，屋面坡度i =l/20～l/8。
3. 钢屋架简支在钢筋混凝土柱顶上，柱顶标高9.800m ，柱上端设有钢筋混凝土连系梁。
上柱截面为600mm ×600mm ，所用混凝土强度等级为C30，轴心抗压强度设计值f c ＝14.3N/mm 2。
抗风柱的柱距为6m ，上端与屋架上弦用板铰连接。
4. 钢材用 Q235-B ，焊条用 E43系列型。
5. 屋架采用平坡梯形屋架，无天窗，外形尺寸如下图所示。
6. 该办公楼建于苏州大生公司所属区内。
7. 屋盖荷载标准值：(l) 屋面活荷载 0.50 kN/m 2(2) 基本雪压 s 0 0.40 kN/m 2(3) 基本风压 w 0 0.45 kN/m 2(4) 复合屋面板自重 0.15 kN/m 2(5) 檩条自重 查型钢表(6) 屋架及支撑自重 0.12+0. 01l kN/m 28. 运输单元最大尺寸长度为9m ，高度为0.55m 。
二、屋架几何尺寸的确定1.屋架杆件几何长度屋架的计算跨度mm L l 17700300180003000=-=-=，端部高度取mmH 15000=跨中高度为mm 1943H ,5.194220217700150020==⨯+=+=取mm L i H H 。
跨中起拱高度为60mm （L/500）。
梯形钢屋架形式和几何尺寸如图1所示。
120图1 梯形屋架形式和几何尺寸（虚线为起拱后轮廓）2.檩条、拉条、及撑杆：长尺复合屋面板可以不考虑搭接需要，檩条最大允许间距为1800mm 。
另外，屋架上弦节点处一般应设檩条。
大空间工业厂房钢结构设计及优化改进措施在新疆地区应用工业厂房是企业重要的生产场所，厂房的质量关系工业生产的效率和工作人员的生命安全，应得到足够的重视。
钢结构工程以其优越性逐渐替代了新疆传统的厂房砖混结构，得到了广泛的应用，决定着建筑物的质量。
钢结构工业厂房具有良好的抗震性能以及自重较轻等特点，其结构性能影响着企业的生产活动，因此，优化钢结构的设计迫在眉睫。
1、钢结构的材料选用众所周知，大型钢结构厂房的合理选材是降低项目整体投资的主要因素之一，厂房主梁柱材采用性价比高的Q345B钢材。
对于处在腐蚀环境中的承重结构，则一般采用Q235NH和Q345NH等牌号的耐候结构钢。
2、钢结构主体梁柱的设计2.1承重柱结构设计选型2.1.1大型冶金厂房中的承重柱一般采用阶梯形柱其下段通常采用缀条格构柱，而上段既可采用实腹式，亦可采用格构式，但上段以实腹式截面为多。
格构柱的单肢柱有H型钢柱、钢管柱钢管砼柱（即钢管内填芯高强混凝土）等几种形式。
单肢柱采用钢管柱，虽然理论上钢管柱各方向受力性能稳定，但存在钢管柱的弧面连接及大管的加工焊缝长等缺陷，在实际应用中比较麻烦;钢管砼柱虽能够减小钢管截面，但后期混凝土灌浆的可操作性较差，主要是因为大型冶金厂房主柱高度都有20～30米（甚至更高），钢管内部灌浆时需开通气孔，钢柱过长时可能还需要设置中间孔，以利于通气及灌浆的振捣实，给施工带来困难。
近几年，单肢柱采用H型钢的形式，因其加工的完整性及施工的便利性得到更广泛应用。
格构柱的缀条可采用角钢、槽钢和T型钢等，当承载较小时可采用槽钢和角钢作为缀条，当吊车吨位超过160吨时，可采用T型钢作为缀条，更好地维护格构柱的整体性。
格构柱采用钢接柱脚，为节约用钢量、降低造价和方便施工，格构柱常采用分离式柱脚。
露出式柱脚常采用靴梁式，埋入式柱脚直接埋入杯口基础中，并设置剪力钉，在柱底板增加定位地脚螺栓以增加定位精度。
2.1.2厂房主钢柱肩梁结构形式大型冶金厂房主钢柱肩梁的设计是柱设计的重要部分。
大空间钢结构桁架檩条系统摘要:本文详细介绍了桁架檩条作为一种大柱距屋面檩条体系，应用于轻钢结构建筑的设计方法及构造要求。
通过实际案例的分析，对于桁架檩条相对于托架结构体系和高频焊接构件体系进行了经济型的比较，阐明了这种大柱距檩条系统在应用上的独特优势及发展前景。
关键词: 桁架檩条柱距空腹结构连续折弯抗风支撑1. 概述：屋面檩条是轻型钢结构建筑中的主要受力构件之一。
通常情况下，轻钢结构建筑的柱距在6m~9m 之间，屋面次结构采用Z型连续搭接檩条或C型简支檩条，这是因为普通的冷弯薄壁檩条的经济跨度在9m 之内。
但是在某些特定的行业中，由于生产活动及运输的需要，如超市、物流中心、汽车制造厂房等，需要建筑物能够提供更加宽阔灵活的空间，柱距可能达到12m以上，甚至18m；还有一些建筑物，由于屋面有较大的悬挂荷载，超出了冷弯薄壁檩条的承载范围。
以往解决问题的做法是，采用实腹式H型钢梁或高频焊H型钢梁代替檩条或采用纵向托架结构系统(LGS)，但这些做法往往会造成结构用钢量大幅增长，以及建筑成本和施工难度的增加。
巴特勒屋面桁架檩条是一种新型的用于大柱距屋面系统的空腹结构，能够弥补冷弯薄壁型钢檩条在大跨度、大荷载方面的缺陷和不足。
美国巴特勒公司开发的Landmark®2000结构体系，正是使用这种桁架檩条结合实腹式门式刚架，以及相关支撑系统所形成的。
该结构体系具有不同一般的低成本优势和极佳的观感，并能提供更大的空间。
另外，桁架檩条在穿越管线和安装吊挂方面也有普通檩条无法比拟的优势。
经过十余年具体的实践活动，该系统已经被市场所接受，在美国已经成为主流的结构体系。
2. 产品特征：与传统的用热轧型钢作为桁架上下弦杆不同，巴特勒屋面桁架檩条采用冷弯薄壁型钢作为弦杆，薄壁焊管作为腹杆，在使桁架的外形更为美观的同时，能合理地利用材料的特性。
桁架檩条截面高度分为500mm和750mm两种，设计跨度为4.5m～18.0m，并以150mm为模数变化。
桁架檩条主要由上下弦杆、主腹杆、端腹杆及端支座组成，组装图见图1：图12.1 上下弦杆上下弦杆采用优质低合金钢，最小屈服强度大于400Mpa,厚度1.5~3.2mm。
弦杆是经冷加工成型的，其截面形状象带边缘的帽子，详见图2。
上弦杆需要预冲间距为150mm的孔，以用来配合安装巴特勒独有的MR-24屋面系统连接件，下弦杆与上弦杆对称布置。
弦杆的材料严格按国家相应的标准供货，从材料的化学成分，机械特性以及加工过程到材料交货的总体要求均有严格的规定。
图22.2 腹杆腹杆由外径为27mm的空心电焊圆管(符合国家DB/T13793-92标准)制作而成，最小屈服强度为大于345Mpa。
圆管通过专用的设备进行连续折弯（详见图3），并在与上下弦杆连接处压平，再通过电阻焊焊接成形。
为了提高桁架檩条靠近端部的腹杆的承载力而又不在整个檩条上采用更厚的腹杆材料（如若采用更厚的腹杆材料一方面产生浪费，也增加了桁架檩条的自重），可在靠近檩条端部的腹杆上指定区域套上一个外径比主腹杆大的套管作加强处理，在檩条组装时将套管点焊就位，加强套管仅用于保证腹杆平面外稳定。
与此同时，在该加强区域，腹杆与弦杆的连接要求采用加强焊。
图32.3 端座端座是一个简单的机械装置，用来将桁架檩条连接到主结构上，端座本身高加上上弦杆高度后能够与巴特勒Z型檩条同高，这样在同一个建筑物上，就可同时使用桁架檩条和”Z”型檩条，以达到更佳的经济效果。
端座材料与弦杆的材料相同，在单独加工完成后再与桁架檩条端部焊接。
3. 桁架檩条设计要点巴特勒桁架檩条从受力特点及节点构造上可分为普通桁架檩条及压杆式桁架檩条。
普通桁架檩条主要承受屋面荷载及风荷载，压杆式桁架檩条作为纵向支撑系统中的受力杆件，除了承受普通桁架檩条的荷载外下弦还需要承受纵向风荷载引起的轴向力。
3.1 计算软件:桁架檩条主要采用美国巴特勒研发中心自主开发的Truss Purlin Analysis and Design程序根据美国AISI规范计算。
目前，国内已有相关工具箱软件可以按照现行国家相关规范进行设计计算。
3.2 设计荷载：桁架式檩条的吊挂荷载根据项目用途选定，根据美国规范设计时基本荷载参照美国规范MBMA 或ASCE等规范。
采用国内规范设计时基本荷载参照《GB50009:建筑结构荷载规范》或《CECS102：2002》中有关屋面檩条部分。
吊挂荷载宜悬吊于下弦杆，吊点位置应尽量可能位于弦杆节点处，且应采用U型夹形式吊挂，具体做法可参照图6所示。
3.4 计算模型：桁架檩条与屋面梁的连接采用每端两个普通螺栓的简支铰接。
计算时巴特勒MR-24屋面系统可作为桁架檩条上弦杆平面外的有效约束，上弦杆计算长度系数取值Kx=Ky=Kt=0.70,平面外计算长度取值桁架檩条节间长度。
下弦杆计算长度系数取值Kx=Ky=Kt=0.90，平面内计算长度取值桁架檩条节间长度,平面外计算长度取值檩间拉条间距。
在恒荷载+吊挂荷载+活荷载组合作用下，上弦受压，下弦受拉。
在恒荷载+风荷载组合作用下，上弦受拉，下弦受压。
计算时需要计算桁架檩条的强度和刚度(挠度验算)。
由于桁架式檩条所固有的刚度及制作中的起拱变形值等因素，挠度很少在桁架檩条设计中起控制作用。
3.5 压杆式桁架檩条设计要点：压杆式桁架檩条所承受的轴向压力由风荷载或地震荷载引起，支撑内力的传力方式与普通门式刚架相同，相当于普通意义上的刚性水平系杆。
压杆式桁架檩条分为工厂完成和现场完成两种。
3.5.1 由于屋面支撑系统位于桁架檩条下弦，因此下弦为受压构件。
承受轴向压力的压杆式桁架檩条主要依靠下弦杆件延伸或附加下弦受压槽钢传递，由于支座传递轴力的能力极为有限，必要时应对上弦杆进行受力验算或特殊节点处理。
3.5.2 在屋面荷载作用下计算压杆式桁架檩条强度时，风荷载取值按次结构风载体型系数。
计算下弦附加风荷载轴向压力时，由于此时桁架檩条作为纵向受力体系中的一部分，风荷载取值按主结构风荷载体型系数。
3.5.3 桁架檩条下弦无法承担轴向压力时，现场可在下弦拼装通长槽钢，以承受100%轴向压力。
槽钢可通过一定间距的U型夹连接于下弦。
连接节点如图6:图63.5.4 由工厂制造的压杆式桁架檩条下弦杆在工厂一次通长加工完成。
计算时需要考虑屋面荷载和轴向压力。
其连接节点如图7:图73.6 桁架檩条结构支撑体系设计桁架檩条结构的支撑体系与普通门式刚架支撑体系的设计思路基本一致，但还是有所差异。
所有轻钢建筑支撑系统均由屋面交叉支撑构成的水平桁架和压杆及墙面支撑组成。
屋面梁为水平桁架的弦杆，需考虑承担轴向拉压力。
檩条可兼做压杆。
设计支撑体系时的基本假设为：每个屋面水平桁架支撑系统变形相同，内力分析中轴向力引起的变形忽略不计，交叉支撑按单拉杆考虑，端部抗风柱位置附近的檩条承担抗风柱一半的反力。
在非支撑跨，整个屋面的水平荷载由所有檩条共同承担，不再单独复核单根檩条压力。
桁架檩条结构支撑体系的设计假设与上述基本相同，但还需要承担传递水平荷载以及存在一些特殊的构件要求和节点详图设计。
3.6.1 抗风支撑体系桁架檩条结构支撑体系由压杆式桁架檩条和位于桁架檩条下弦平面下方的屋面水平桁架支撑以及边墙上的交叉支撑组成，并在靠近檐口处设置纵向支撑。
屋面支撑杆件通常采用圆钢，圆钢支撑与刚架采用斜垫圈或U型夹连接。
抗风支撑可以每侧单独承受或两侧共同承担风荷载。
沿建筑长度方向屋面水平桁架支撑数量不得少于两个。
屋面抗风支撑位置宜位于端部第一个柱距内或从端部开始的前三个柱距内。
当支撑位置设在端部第一个柱距内时，每侧端墙风荷载直接由屋面支撑传至柱间支撑。
当支撑位置不在端部第一个柱距内时，应采用压杆式桁架檩条传递端墙风荷载至第一个设有屋面支撑的柱距处。
如果由于建筑物柱距数量较多，两个屋面支撑桁架之间超过9个柱距未设支撑时，需要考虑在此区间增设支撑。
3.6.2 地震荷载支撑体系根据计算确定需要的支撑数量和规格，支撑间距不宜超过45m。
当地震荷载支撑数量超过抗风支撑数量时，在抗风支撑与额外的地震荷载支撑之间不需要设置传递轴向压力的压杆式桁架檩条。
3.6.3 边墙支撑边墙支撑可以采用圆钢支撑或门式支撑。
每一个柱距边墙中间抗风柱数量不应超过两个。
如果可能，应与屋面支撑位于同一柱距内。
边墙支撑位置也允许设置在屋面支撑以外的柱距内，但不应超过三个柱距。
由于屋面支撑位于桁架檩条下弦杆平面一下，而檐口Z型檩条与屋面支撑不在同一平面，所以在边墙中间抗风柱与刚架柱之间必须设置纵向压杆，与屋面纵向圆钢支撑形成水平桁架体系。
门式支撑和交叉支撑不能够在同一侧边墙上混用。
每侧边墙每个柱距门式支撑数量不应超过两个。
3.7 压杆式桁架檩条的传力途径位于端墙抗风柱两侧的桁架檩条和与屋面圆钢支撑相连的檩条均视为压杆式桁架檩条。
但支撑位于端部第一个柱距内时，端墙抗风柱两侧的桁架檩条与屋面支撑不相连的压杆式桁架檩条仅在端墙处做下弦延伸，与圆钢支撑相连的桁架檩条下弦两端均需要延伸。
当端部柱距内未设屋面支撑，且抗风支撑总数量超过两个时，端墙柱顶风荷载将通过压杆式桁架檩条传递至支撑柱距。
设计时假定传力路径为柱顶反力通过端墙抗风柱两侧桁架檩条下弦及桁架腹杆，传递至桁架檩条上弦，经过支座至屋面梁上翼缘再传递至下一根檩条支座、上弦直至支撑柱距内的压杆式桁架檩条下弦。
由于支座传递轴向压力的能力极为有限，必要时应对上弦杆件进行受力验算和特殊节点处理。
或将非支撑跨桁架檩条下弦延伸，轴向压力通过下弦平面传递至有支撑的柱距内。
当Z型檩条与桁架檩条混合使用时，支撑位置应尽可能设置在Z型檩条区域内，以便减少压杆式桁架檩条的数量。
3.8 边墙中间抗风柱边墙中间抗风柱柱脚柱顶均为铰接，可在柱顶设置八字形圆管支撑将柱顶荷载传递至桁架檩条上弦。
或者增设横向压杆，连接与边墙抗风柱柱顶和靠近檐口的桁架檩条的下弦，并通过屋面纵向交叉支撑将柱顶反力传递至刚架柱。
连接节点参照图8：图84. 主结构设计要求主结构的设计荷载取值与普通门式刚架并无差异。
只是由于屋面支撑体系位于桁架檩条的下弦杆平面下方，为了避免梁柱水平连接的节点板和加劲板与支撑体系有冲突，宜优先考虑选用垂直连接，并且要求屋面梁最小高度为610mm。
5. 檩间支撑及翼缘支撑檩间支撑一般设置在桁架檩条上下弦杆平面内。
由于巴特勒MR-24屋面系统可作为桁架檩条上弦平面外的有效约束，上弦杆平面内的檩间支撑仅是为提供安装时的稳定性作用。
下弦杆平面内的檩间支撑可作为下弦杆的平面外有效约束。
第一个檩间支撑位置位于距离桁架檩条支座1.5m处下弦与腹杆交汇处。
下弦檩间支撑间距不应超过3.0m；上弦杆檩间支撑通常位于跨中位置。
为稳定刚架梁而设置的单面隅撑的做法，不宜用于桁架檩条结构体系中(端墙刚架除外)，因为这将导致桁架檩条下弦受压扭曲，对结构不利。
