浅谈大跨度钢桁架通廊的设计与应用

董湘乾

（中冶长天国际工程有限责任公司 湖南长沙 410000）

前言

随着冶金工业建筑在我国大规模的建设，其中输送焦炭、矿粉等各种原料及成品的皮带通廊是必不可少的。为了满足工艺流程和总图规划的要求，各种原料及成品矿需要经过长距离的跨越和高差的提升。由于钢桁架具有自重轻、跨度大和施工周期短的优点，钢桁架通廊被越来越多的结构设计人员采用。钢桁架通廊是由若干榀平面桁架通过系杆、支撑等轴心受力构件连接组成的空间桁架系统结构。平面桁架的计算简图通常是一个理想桁架，即计算杆件内力时采用如下假定：①各节点都是采用绝对光滑而无摩擦的理想铰相互连接；②各杆件的轴线都是绝对平直，且在同一平面内通过铰的中心；③荷载和支座反力都是作用在节点上并位于桁架的平面内。理想桁架各杆件都是只承受轴力的二力杆。笔者近年来接触了比较多的桁架结构设计，也对设计过程中的一些问题进行过思考，本文结合曾经设计过的一个大跨度钢桁架，来对钢桁架结构设计所需要注意的关键问题进行一些有益探讨。

1 计算模型

采用PKPM-STS进行建模计算，该通廊跨度约为61.27m，桁架高跨比按1/12～1/5选取，考虑通廊荷载较小，本桁架设计高度取5.6m，高跨比约1/11，计算简图如图1所示。桁架端部竖杆及上、下弦杆均采用宽翼缘H型钢HW400×400×13×21，桁架端部斜腹杆按压杆设计，采用HW300×300×10×15，其余斜腹杆均采用双角钢，所有节点均采用连接板焊接连接的连接方式，材料均采用Q-235B级钢。根据《钢结构设计规范》表5.3.1，除端部斜腹杆外的所有斜腹杆的计算长度均取0.8倍几何长度，除此之外，其余杆件计算长度取几何长度。

图1 计算简图

2 应力比分析

静力分析采用的荷载组合为自重（钢桁架）+恒载（包括走道花纹钢板、胶带机、上、下弦支撑等）+走道检修活载。根据计算结果，上、下弦杆的强度计算应力比控制在0.8左右。考虑到STS计算模型中，一般只考虑桁架平面内竖向荷载的作用而没有考虑平面外风荷载作用，因此通过对上、下弦及腹杆的应力比的一个控制，使整个桁架的安全度处于一个相对合理的水平，保证结构具有足够的承载力和刚度，当然如果需要考虑平面桁架平面外风荷载影响，建议分别对上下弦杆和平面外支撑等杆件组成的另一个平面桁架结构进行验算。若平面桁架计算强度应力比过低，可以适当调整降低杆件规格，应力比值大小控制需根据实际情况和相关人员一起确定。

3 长细比分析

对于跨度大于60m的大跨度钢桁架，《钢结构设计规范》规定：跨度等于或大于60m的桁架，受压弦杆和端部压杆的容许长细比宜取100，其他受压腹杆可取150；受拉弦杆和腹杆的长细比不宜超过300。根据STS应力计算结果可知，受压弦杆和端部压杆主要是应力比控制，而非长细比控制，中部腹杆主要以长细比控制为主，因此，合理的杆件选取是应该在保证满足长细比要求的前提下，将构件的应力比尽量控制在合理范围之内。

4 挠度分析

该钢桁架在恒载+活载下的跨中最大竖向位移为38.4mm，挠度约为1/1595。远小于《钢结构设计规范》中对钢桁架的挠度限值1/400，这说明钢桁架平面内竖向具有足够的刚度。对于大跨度桁架当竖向挠度超限时，必须在钢桁架施工时预先起拱，若无超限，可以根据计算所得到的挠度对钢桁架进行预先起拱，预拱值即采用恒载+活载所产生的竖向挠度。

5 节点设计

钢桁架连接节点采用连接板焊接连接的“K”型节点。节点板焊缝长度一般采用不低于构件截面强度的焊缝连接。如对于斜腹杆双角钢2L110×10，其连接板焊缝长度计算如下（取角焊缝高度hf=8mm）：

由于钢桁架在计算时，杆件的应力比控制在0.8左右，因此杆件本身强度已具备有一定的安全储备。而对于按杆件截面强度计算得到的节点连接焊缝强度，因此也具有一定的安全储备，这样整体上保证了整个大跨度桁架的结构安全储备，同时经济合理。

6 支座设计

在设计桁架支座时，不但要考虑温度应力，还要考虑温度变形所带来的影响，若水平变形过大，会给通廊桁架带来不利影响，温度变形计算公式为：

ΔL=α·Δt·L

其中α=12×10-6为钢材线膨胀系数，Δt为温差，L为温度变形不动点到桁架体系计算区段端部的距离。

钢桁架在计算平面内内力时并没有考虑温度应力及变形对结构的影响，所以必须在布置形式上采取必要的措施，钢桁架通廊的一般布置形式为低端采用固定铰支座，高端为滚动支座，中间设置侧移刚度较弱的摇摆支架，中间段通廊桁架支座采用一端固定，一端留椭圆长孔。通过分段桁架的滑动和高端的滚轴移动来释放温度区段应力及变形。

7 结语及展望

在冶金工业结构设计中，大量的钢桁架将会应用到实际中，对于此类结构设计，还应在以下几方面加以关注：

（1）对于大跨度钢桁架结构的抗震措施应给予足够的重视，尤其是对桁架低端固定铰支座处。可根据《构筑物抗震设计规范》计算通廊纵向水平地震作用，然后做出相应的加强措施，如可以将低端固定铰支座改为可有限滑动的铰支座1，用以释放纵向水平地震作用力对支座的冲击。应注意此处支架柱不应采用柔性支架，而应采用具有一定侧移刚度的支架柱，如混凝土支架柱或四腿钢支架柱。

（2）钢结构存在节点多，现场施焊难度大的缺点，为了充分利用钢结构的优点，便于大规模推广钢结构的应用，减少现场施工难度，应加快钢结构材料及相关成品如圆钢管、相贯节点以及滚动支座及橡胶支座等构件的研发设计工作。

（3）利用现代计算机技术，开发更方便建模、更能准确计算结构在各种工况下性能的设计软件，同时对于以往经验成果，如钢结构节点等，应能将相关设计成果归纳成库，方便以后的设计参考及借鉴。

[1]《钢结构件设计规范》（GB50017-2003）[S]．北京：中国计划出版社，2003．

[2]《构筑物抗震设计规范》（GB50191-2012）[S]．北京：中国计划出版社，2012．