某连体钢桁架设计

刘 明 辉

(北京首钢建设投资有限公司，北京 100041)



某连体钢桁架设计

刘 明 辉

(北京首钢建设投资有限公司，北京 100041)

结合工程实例，对连体钢桁架的设计进行了计算分析，指出球铰支座方案通过施工释放下弦杆轴力，满足了自重荷载与风荷载、地震作用对连体桁架的不同要求；单索幕墙变形对边界要求较高，需真实考虑其刚度并保证其有足够的刚度；单桥竖向振动舒适度难以满足规范要求，可通过悬挂于刚度较大的屋顶桁架给予解决。

连体钢桁架，球铰支座，单索幕墙，吊桥

1 工程背景

某裙房为5层高多层钢框架—剪力墙结构，总高度22 m。主入口设置一个跨度30 m，5层通高的阳光中庭。大厅两侧采用30 m跨屋面钢桁架将裙楼连成一体；桁架受力很大，而建筑立面要求钢桁架的高度不能大于2 300 mm，需要采用预应力索。该桁架承受采光窗、4层吊桥、单索幕墙、地震等多种荷载作用，是一个集连体结构、预应力钢结构、单索幕墙于一体的复杂受力大型空间预应力钢桁架结构，有必要进行详细的计算、分析与研究。中庭轴测图见图1。

2 桁架选型

本工程索网幕墙宽30 m，高23 m，风引起幕墙索荷载主要沿竖向传递，沿水平方向传递力较小；此外，门厅雨棚高8 m，索网幕墙锚固其上，缩短了幕墙竖向距离，而幕墙两侧又均无刚度较大的剪力墙，故本工程风引起的幕墙索荷载主要沿竖向传递至屋顶桁架，仅少量水平荷载传递到大厅两侧钢柱。为满足《钢结构设计规范》[1]及《玻璃幕墙工程技术规范》[2]对桁架刚度的要求，本工程引入预应力拉索，使主桁架在恒载作用下挠度为0(见图2)。

连体结构中对于较弱的连接体(如连廊等)，连接体与两侧主体结构连接通常采用“放”的措施，即连接体与两侧分别铰接和滑动，这样有利于减轻连接体结构负担，两侧单体在地震作用下也不会产生复杂耦合振型[3]。本工程主桁架两侧分别为框剪结构与单跨框架，为提高单跨框架的抗震能力及抵抗水平风荷载作用能力，本工程采用强连接，这就要求主桁架做得很“刚”，能够协调两侧单体变形；此外，本工程幕墙索水平方向也有较大的拉力作用在钢柱上，如果屋面桁架采用滑动支座，在幕墙水平索拉力作用下柱顶将产生较大的位移，柱底将产生较大的弯矩，设计无法满足要求，因此，必须利用屋面钢桁架来平衡幕墙索的水平拉力。

2.1 桁架刚接方案

钢桁架采用刚性连接(见图3)，桁架上下弦与框架柱刚接。这样设计的优点是桁架刚度较好，中庭桁架可很好协调两侧主体结构变形；缺点是与作为桁架支点的框架柱承受桁架上弦较大的拉力，预应力索的预拉力也传递到框架柱，使整个结构难以设计。张弦梁为自平衡体系，一般要求两侧支承点分别为铰接和滑动，这样预应力索产生的水平拉力可由钢桁架弦杆承担，桁架两侧支座仅承受竖向力。本工程由于桁架需协调两侧单体变形，需要与两侧单体强连接；而预应力直接施加在桁架上会对两侧框架柱产生较大的拉力，地震作用下预应力索也可能松弛失效，此外主桁架直接与两侧框架柱连接也会对两侧框架柱产生较大的拉、压力，桁架在恒载作用下转动时下弦与框架柱连接处会产生较大弯矩，使下弦难以设计。

2.2 桁架球铰支座方案

采用成品铸钢球铰支座，使钢桁架完全“墩”在框架柱顶板上；下弦两端侧杆件施工时与框架柱断开，在桁架索预应力、幕墙竖向索预应力张拉之后，幕墙水平索张拉之前焊接(见图4)。这样做就很好解决了上述困难：自重等荷载主要由标准张弦梁承担(施工预应力索及幕墙竖向索时桁架两侧可滑动)，桁架两侧框架柱仅承担桁架的竖向力；正常使用时下弦与两侧框架柱铰接，桁架可很好的抵抗幕墙水平索产生的拉力，地震情况下又可以很好协调两侧框架变形。

3 单索幕墙抗风设计

预应力单层索网幕墙需要满足索网平面外变形小于1/50短向跨度[2]的要求，对屋顶钢桁架要求较高。为考虑边界条件对单索幕墙的影响，对刚性边界模型和弹性边界模型进行对比分析，如图5所示。

采用大型有限元分析软件ANSYS建立模型，横索、竖索均采用Link10单元，横索、竖索相交处共用一个节点连接，相交处位移变形协调。横索施加2.25‰的初始应变(80 kN初始拉力)，竖索施加2.5‰的初始应变(150 kN初始拉力)，有限元模型如图5所示。竖直拉索取φ28；水平拉索取φ18，弹性模量E=1.3×105MPa；在外力加载前(即仅存在恒载及预应力荷载作用)主桁架垂直位移为0。

3.1 刚性边界模型

模型施加风荷载，得到幕墙正常使用状态下平面外位移最大为143 mm，满足规范索要求；风荷载作用下竖索最大拉力发生在幕墙顶部钢框架正上方，索力为314 kN～318 kN(应力为500 MPa)，幕墙两侧竖索拉力较小为250 kN～270 kN，地面竖索拉力为180 kN～195 kN，门框顶竖索拉力为275 kN(295 MPa)；横索大部分为83 kN～100 kN，局部最大126 kN(500 MPa)，如图6所示。幕墙顶部钢框架正上方竖索拉力最大，而横索拉力与初拉力80 kN相比变化较小，说明风荷载主要由竖向索进行传递；钢门框角部横索拉力变化较大，主要是因为其限制幕墙两端竖索在风荷载作用下的变形。

3.2 弹性边界模型

对此模型施加风荷载，得到幕墙正常使用状态下平面外位移最大为228 mm，为幕墙索短向跨度的1/55，满足规范索要求；风荷载作用下竖索最大拉力发生在幕墙顶部钢框架正上方，索力为285 kN～300 kN(应力为485 MPa)(见图7)，幕墙两端竖索拉力较小为250 kN～260 kN，地面竖索拉力为178 kN～188 kN，门框顶竖索拉力为250 kN；横索大部分为83 kN～100 kN，局部最大126 kN(500 MPa)。

3.3 小结

正常使用状态下，弹性边界与刚性边界幕墙索最大面外位移分别为234 mm和143 mm，弹性边界幕墙索位移比刚性边界增加60%；弹性边界与刚性边界对应的幕墙索应力变化很小，竖索最大拉力仅变化6%。可见边界条件对幕墙索力无明显影响，可采用简化模型进行索拉力估算；但其对位移影响很大，应引起足够的

重视。

4 吊桥分析

本工程吊桥四层(见图2)，跨度30 m，宽3.2 m。吊桥纵向主要由两根H800×400×16×30组成，采用一端铰接一端滑动的形式；为增加吊桥侧向刚度，纵向主梁间采用角钢斜撑连接。

采用通用有限元对天桥单独振动进行了分析，得到单桥第一振动频率为竖向振动，频率1.88 Hz(见图8)，不满足规范[4]要求。

欲提高单桥的频率，需加大单桥的刚度或减小单桥的质量；而增强单桥的刚度会加大单桥的质量，这是个矛盾的问题，工程上难以解决，本工程采用将四桥悬挂于屋顶的方式解决这个难题。

钢桁架竖向刚度较大，为7.5 Hz；采用φ50钢拉杆(钢拉杆刚度要求较高，否则不能较好提高吊桥刚度)将四层吊桥悬挂于屋顶钢桁架。求得吊桥第一阶竖向振动频率为3.1 Hz(见图9)，满足了规范要求。

5 结语

本文通过对连体钢桁架的分析，得出如下结论：1)桁架刚接方案设计困难，不适用于张弦连体结构；球铰支座方案通过施工释放下弦杆轴力，较好解决了自重荷载与风荷载、地震作用对连体桁架的不同要求。2)单索幕墙变形对边界要求较高，需真实考虑其刚度并保证其有足够的刚度。3)单桥竖向振动舒适度难以满足规范要求，可通过悬挂于刚度较大的屋顶桁架给予解决。

[1] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[2] JGJ 102—2003，玻璃幕墙工程技术规范[S].

[3] 徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[4] CJJ 69—95，城市人行天桥与人行地道技术规范[S].

A conjoined steel truss design

Liu Minghui

(BeijingShougangConstructionInvestmentLimitedCompany,Beijing100041,China)

Combining with the engineering example, this paper made calculation and analysis on conjoined steel truss design, pointed out that the ball joint bearing scheme improved the construction release under rod axial force, satisfied the different requirement of gravity load and wind load, earthquake effect to conjoined truss, the single cable curtain wall deformation had higher demand to boundary, need to really consider its stiffness and guarantee its enough stiffness, the single bridge vertical vibration comfort difficult to meet the specification requirements, could solve through suspend large stiffness roof truss.

conjoined steel truss, ball joint bearing, single cable curtain wall, suspension bridge

1009-6825(2016)10-0040-02

2016-01-23

刘明辉(1982- )，男，工程师，一级注册结构工程师

TU318

A