钢结构二维桁架建模比较
2022-01-04张颖
张颖
(南京西普水泥工程集团有限公司,江苏 南京 210000)
1 工程概况
水泥厂因为工艺及场地需要,存在很多大跨度空间结构,如钢桁架。在水泥厂设计中,钢桁架可分为下沉式钢桁架(露天栈桥)、上翻式钢桁架(露天栈桥)、封闭栈桥。本项目桁架形式取自南京西普水泥工程集团有限公司图集,通过杆件部分调整与修改节点连接状态,结合PKPM二维建模进行数据综合比较。
2 桁架组成
本算例采用带式封闭式桁架,桁架由上弦、下弦、腹杆组成,通过横梁将板面载荷传递至弦杆节点。由于杆件本身长细比较大,虽然杆件之间的连接可能出现“固接”,但是实际杆端弯矩一般都很小,因此,设计分析时可简化为“铰接”。简化计算时,杆件都是“二力杆”,承受压力或者拉力。由于桁架跨度较大,而单品桁架“平面外”的刚度比较弱,因此“平面外”需要设置支撑。而本算例只考虑单品桁架作为计算模型。
3 案例一桁架简图与荷载分析
3.1 模型简图
算例取24 m上翻式钢桁架,宽3 m,高2.5 m,钢材、型钢、钢板及普通螺栓采用Q235-B钢,焊条采用E43,布置详见图1。
图1 桁架立面图谱
3.2 荷载分析
走道面均布荷载标准值:恒载1.0 kN/m2、活荷载2.5 kN/m2,胶带机每隔3 m一对支腿,每对支腿恒载5.5 kN。
3.3 结构受力分析
以下简单对比三个桁架模型,第一个采用底部刚接的短柱,第二个采用两端铰接的短柱,第三个采用左侧两端铰接的短柱、右侧一端柱顶铰接柱底刚接且设置滑动支座的形式。短柱为同样材料的钢材,且建模中所有节点上的附加载荷均一致,对三种状态的轴力包络图及节点位移图进行比较。
桁架支座杆底刚接情况下轴力包括图与节点位移图见图2、3。
图2 轴力包络图谱(单位:kN)
桁架支座两端铰接情况下轴力包括图与节点位移图见图4、5。
图4 轴力包络图谱(单位:kN)
桁架左侧支座杆两端铰接的短柱、右侧支座杆上端铰接下端滑动情况下轴力包括图与节点位移图见图6、7。
图6 轴力包络图谱(单位:kN)
从轴力包络图可知,图4与图6所产生的桁架跨中内力图相似,下弦杆达到254 kN。而采用支座杆底刚接时,桁架轴向变形受到约束,轴力也相对较小,跨中只有88 kN,且由于支座的强约束,与支座相连的下弦杆得不到释放,在靠近支座的下弦杆两跨中出现了轴压力。
从节点位移图可知,图3与图5所产生的节点位移相似,但位移数据显然图5较大。而图3与图7相比,跨中最大竖向位移均为16.2 mm,但图7跨中还存在水平位移,使得总位移量图7大于图5。且规范中有明确要求对于露天钢结构,纵向温度区段超过120 m应设伸缩缝。而桁架结构通过下铰上滑/滚的结构形式来表明伸缩缝的设置。所以按图7情况设置桁架节点来保证结构的安全性,同时也更符合结构形式。
图3 恒载+活载(标准植)节点位移图谱(单位:mm)
图5 恒载+活载(标准值)节点位移图谱(单位:mm)
图7 恒载+活载(标准值)节点位移图谱(单位:mm)
4 案例二桁架简图与荷载分析
4.1 模型简图
算例取24 m封闭式钢桁架,宽3 m,高2.5 m,钢材、型钢、钢板及普通螺栓采用Q235-B钢,焊条采用E43,布置详见图8。
图8 桁架立面图谱
4.2 荷载分析
屋面均布荷载标准值:恒载0.3 kN/m2,活荷载1.0 kN/m2,积灰荷载0.5 kN/m2。
走道面均布荷载标准值:恒载1.0 kN/m2,胶带机活荷载2.5 kN/m2,每隔3 m一对支腿,每对支腿恒载5.5 kN。
墙面板荷载标准值:恒载0.3 kN/m2。
4.3 结构受力分析
上下弦杆件只在桁架全长两端做铰接节点,中间不断开不设铰,立杆柱同样如此。
当上弦截面刚度较大时,即使节点产生较小的转角,也会形成较大的次弯矩。此时如果弦杆端部依然采用铰接方式,就会丢失杆端的弯矩。由于桁架杆件一般为压弯杆件,如果丢失弯矩项,就会产生安全隐患。从实际桁架施工图会发现,当上下弦杆为H形或箱形等截面时,弦杆需保持刚接连续,这种设置铰接点的方式与实际情况更接近。
5 结论
(1)对于短跨桁架,一般可采用立柱底两端铰接的形式来保证跨中弦杆产生最大拉力,使模型最接近实际情况。而对于跨度较长的桁架或存在多跨的长输送,水平推力也随之增大,对于桁架的支座来说,这是非常危险的。柱底一端铰接一端滑动的支座形式可以很好的释放掉水平变形,也能使部分节点出现最大的位移变形。
(2)在平时的设计中,如果无法确定节点次弯矩的影响,可按偏安全的刚接来处理。因为如果杆件本身线刚度比较小的话,考虑刚接产生的次弯矩也会小到可以忽略;而对于线刚度较大的构件,只有按刚接考虑时,才能保证构件验算的正确性。