某阳光温室大棚钢管桁架拱结构分析与设计＊

2015-08-27黄政华

贵州大学学报(自然科学版) 2015年5期

梁健，黄政华

(1.贵州大学土木工程学院，贵州贵阳550025;2. 贵州大学建筑与城市规划学院，贵州贵阳550025)

钢管桁架拱结构是众多结构体系中的一种，该结构兼有拱结构和桁架结构的特点，主要利用钢管各向等强度、受弯无弱轴、抗扭刚度大且外观优美等优点，在一些体育馆、展览馆、候车室等建筑中被广泛应用。桁架拱可以分为平面桁架拱和立体桁架拱，立体桁架拱是由平面桁架拱演化而来，按照截面形式，有三角形立体桁架拱(正三角形或倒三角形)、梯形立体桁架拱等;按拱轴线形式有圆弧形桁架拱、抛物线形桁架拱、变曲率拱等［2］。钢管桁架拱结构作为大跨度建筑中的一个分支，近年来发展愈发蓬勃，越来越多地应用到各大实际工程中。但是从已有的国内外发表的论文和期刊中，真正研究其受力性能的少之又少，特别是对于那些造型各异、结构复杂的桁架拱，现有规范很难对其作出专门的设计规定。因此，有必要通过相关的工程实例，仔细分析钢管桁架拱结构的受力特性，为今后该种结构的设计计算提供参考建议。

1 工程概况

本设计以贵州省某示范园区参观大棚为工程背景，建筑平面为椭圆形，长轴方向轴线长度为64 m，短轴方向轴线长度为30 m，屋盖最高点处离地面约12 m。采用钢管桁架拱屋盖结构体系，上部由7 榀主桁架拱组成，每两榀主桁架拱之间用一段次桁架连接，间距均为8 m。拱截面为正三角形，拱轴线呈圆弧形(如图1 所示)。弦杆截面形式采用圆钢管Φ203 ×7 、Φ140 ×6 、Φ121 ×5 等，腹杆截面形式有Φ54 ×4 、Φ42 ×4 等。主桁架拱的跨度、拱高、断面尺寸自中间榀向两端递减，使其长跨方向也呈现出拱形。桁架拱支撑在立柱和斜撑上，并与周边立体桁架连接，形成一个封闭的曲面，整体稳定性较好。立柱截面形式均选用圆钢Φ203 ×7 ，斜撑截面形式均选用圆钢Φ245 × 8 。由于本工程结构复杂，跨度较大，需对其分别进行静力分析和动力性能分析。

图1 参观大棚钢管桁架拱结构图

2 分析方法及模型建立

本文主要研究桁架拱结构的在荷载作用下的内力分布情况以及抗变形能力，通过3D3S 和ANSYS 两种软件对该结构进行分析，观察主要受力构件的强度、刚度和稳定性是否满足规范要求。3D3S 软件由同济大学自主研发，建模方便、快捷，常用于钢结构和空间结构的设计计算。ANSYS 软件是一款通用有限元分析软件，有着强大的后处理功能，可将计算结果以图形、图表、曲线形式显示或输出。但其界面为英文版，且建模操作比较繁琐，对于一些复杂的大型建筑，要想分析其特定工况下的工作状态，常常需要借助一些制图软件先完成建模，然后再导入ANSYS 中进行研究分析。本文先通过3D3S 软件完成建模，定义材料属性、杆件截面，施加荷载，并进行线性受力分析，获得该桁架拱结构在静力荷载作用下的杆件内力图和最大位移变形。然后导入ANSYS 软件中，进行动力特性分析。

3 静力分析

桁架拱结构实现了将外荷载产生的弯矩转化为构件的轴向拉压力，上下弦杆是其主要受力构件，因而本文主要研究弦杆的轴力。由于结构是对称的，因此在对称荷载作用下，只对模型左侧4 榀主桁架(HJ1、HJ2、HJ3、HJ4)进行受力分析，荷载工况组合如表1 所示:

各榀主桁架上、下弦杆轴力大小沿跨度方向分布如图2、图3、图4 和图5 所示。从图中可以看出，该钢管桁架拱结构在对称荷载作用下，轴力大小也沿着杆件呈对称分布。对每一榀主桁架而言，都在支座处上弦杆受拉，下弦杆受压;主跨段上弦杆受压，下弦杆小部分受拉，在跨中处达到最大值。这与常规拱结构受力特征相符。

表1 荷载工况组合

四榀主桁架HJ1、HJ2、HJ3、HJ4 上弦杆轴力变化情况非常相似，支座处最大拉力约50 kN，且9 种荷载工况组合下轴力均相差不大;跨中各荷载工况组合下轴力差值较大，均以工况9 为最不利，最大压力约-200 kN，工况3 轴压力最小，约-100 kN。

而对于下弦杆轴力情况，四榀主桁架HJ1、HJ2、HJ3、HJ4 既有相同之处又有着各自不同的受力特性。相同点:不管是支座处还是主跨段上，各工况作用下杆件轴力均相差较大。支座处均以工况8 为最不利，最大压力分别为- 129.7 kN、-135.4 kN、-113.9 kN、-110.3 kN。主跨段跨中位置在荷载工况9 作用下，部分杆件呈受拉状态，最大拉力分别为19.9 kN、34.0 kN、35.4 kN、66.9 kN。不同点:四榀主桁架跨中位置，工况8 和工况9 对应的杆件轴力之间的差值由HJ1→HJ2→HJ3→HJ4 的顺序依次增大。而工况8 和工况9 主要是与环境温度相关的荷载工况组合，可以看出，对于平面为椭圆形的钢管桁架拱结构，靠近圆弧一端的桁架拱所受的温度应力较大。因此，在实际施工过程中或使用工程中，应该适当加强局部保温处理，避免因温度应力过大使得杆件承载力下降。

图2 HJ1 上、下弦杆在不同工况作用下的轴力变化

图3 HJ2 上、下弦杆在不同工况作用下的轴力变化

图4 HJ3 上、下弦杆在不同工况作用下的轴力变化

图5 HJ4 上、下弦杆在不同工况作用下的轴力变化

在荷载工况9 作用下，该钢管桁架拱结构空间位移最大，达到23.982 mm，如表2 所示，远远低于《钢结构设计规范》相关挠度允许值。而从ANSYS分析得到的位移云图如图6 所示，由图可以看出，该桁架拱结构中心部位空间位移较大，周边支撑部位位移较小。

综上所述，该桁架拱结构设计合理，在静力荷载作用下，弦杆最大轴压力约200 kN，相应的压应力为46.4 MPa，最大轴拉力为66.9 kN，相应的拉应力为15.5 MPa，最大节点位移23.982 mm，强度、刚度以及稳定性都具有一定的安全储备。

表2 最大位移查询表

4 动力特性分析

按空间结构规范规定，7 度才做抗震验算，本工程地点位于贵州省毕节市，6 度区，所以仅做动力特性分析。结构的地震动力特性分析通常分为两类，一类是基于结构自振特性的的地震反应谱分析，另一类是基于特定地震波的地震时程分析。本文采用前者的分析方法，主要分析该桁架拱结构的自振特性，其目的就是求结构的各阶频率和振型，这些指标是计算风振作用和地震作用的重要参数，也是进行谱分析和瞬态动力学分析的必要前提。

图6 静力荷载作用下结构位移云图

在ANSYS 中选择模态分析方法为子空间法(Subspace)，该方法适用于大型对称特征值求解问题，分析前50 阶模态，自振频率如图7 所示，并通过列表3 给出了结构的前10 阶、第20 阶、第30阶、第40 阶和第50 阶动力特性和振型特点，以及竖向振型图8、纵向振型图9、扭转振型图10 和横向振型图11。

图7 前50 阶自振频率

表3 结构的动力特性

图8 竖向振型图

图9 纵向振型图

图10 扭转振型图

图11 横向振型图

从图7 以及表3 可以看出，该桁架拱结构的自振频率较高，自振周期短，说明其具有良好的刚度。前50 阶模态频谱变化均匀，无频率跳跃现象。前20 阶模态主要是以竖向振型为主，伴随一定的纵向振动和扭转振动，未出现横向振型。这与模型本身是完全符合的，因为该结构横向有7 榀主桁架拱，纵向有1 榀次桁架拱和檩条支撑，而竖向支撑却很少，因此横向刚度远远大于纵向刚度，纵向刚度又大于竖向刚度，使得整个结构刚度不均匀，受竖向振动影响最大，受横向振动影响最小，直到第20 阶模态才出现横向振型。

由此可见，该结构在低阶模态阶段，以竖向振动占主导地位;在高阶模态阶段，主要是耦合振型，兼有竖向振动、纵向振动、横向振动以及局部振动的振型特点，并伴随一定的扭转效应。