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1、空间管桁架结构设计探讨摘要：本文通过具体工程阐述大跨度整体空间管桁架的设计思路、设计过程，并结合计算分析对空间结构设计应用做一些探讨。关键词：空间管桁架、相贯节点、模态及反应谱分析、屈曲分析工程概况：木工程为公路收费大棚，主要构成为管桁柱和空间管桁架屋盖（见图1）。长向两跨，短向一跨，总长度95米，宽度20米。最大跨度35米左右，主体高度10米。屋面为弧形的柱面切割面，屋面板轻型屋面板。结构采用空间管桁架梁柱结构体系，工程所在地区抗震烈度6度，地震分组二组，场地类别为二类场地。结构选型及结构布置：近年来，随着我国空间钢结构技术的不断发展，空间管桁架在大跨度建筑结构中的应用越
2、来越多，它的最大优点是能将人们对建筑物的功能要求、感观要求以及经济效益要求完美地结合在一起。本工程即采用空间管桁架结构。管桁结构具有节点形式简单，在节点处采用相贯节点，结构外形简洁流畅；施工和维护简单，节省材料易于清洁维护；可满足各种不同建筑形式的要求，建筑造型更丰富、视觉效果更有优势。本工程由五根三角形桁架柱和四棍三角形桁架主梁组成主体结构。共布置两排三列柱，最右端为单柱。柱间两个方向布置倒三角形管桁架梁，主桁架高度和顶面宽度分别为1.7米、1.4米，四周均有悬挑。为避免主桁架侧向失稳，沿长向每隔5.7米布置短跨向次桁架，次桁架高度和顶面宽度为1.0米、1.2米，周边做小
3、桁架封边梁见（图2）。管桁釆用空间倒三角形桁架以增大侧向刚度，提高侧向稳定性以增大次桁架间距。这样布置传力途径直接，有效承担竖向荷载同时形成双向门式结构抵抗水平荷载。结构计算：本工程使用sap2000通用结构分析与设计软件进行设计分析。一、主要荷载1.恒荷载：屋面自重包括屋面板和標条上弦0.4kn/m2,K弦节点0.3kn,结构自重程序可自动计算。2.活荷载：上弦0.5kn/m23.风荷载：基本风压0.35kn/m2,二、计算及分析本工程进行了恒、活荷载以及风荷参与的静力分析、模态分析和振型反应谱分析、屈曲分析。以下分别介绍计算分析结果。1.静力分析主要计算结构的的恒、活荷
4、载及风荷影对整个结构的影响。开敞屋盖结构水平向风荷载影响较小，主要为竖向掀力，因此本工程将风荷载作为结构的主要作用工况考虑。柱杆件应力比控制在不大于0.7,梁杆件应力比控制在不大于0.82.模态分析和振型反应谱分析本质上是一种拟动力分析，它首先使用动力方法计算质点地震影响，并使用统计的方法形成反应谱曲线，然后再使用静力方法进行结构分析。对分析结果进行查看，输出振型分析结果，第一振型变形图见图3,这是侧立面图，可以明显的看出是y向的平动。图3第二振型的变形图见图4,可以看出结构体系右侧有变形，左侧变形不明显，应为扭转变形，这个结果跟结构体系右侧布置单柱有关。第三振型变形图见图
5、5,这是正立面图，明显的看出是x向的平动.下面表1是结构的周期及质量参与比例，第一周期uy占0.61,为y向平动周期，第二周期rz项绕z向转动的质量参与系数0.8,大于UX和uy,因此第二周期为扭转周期。第三周期UX占0.83,为x向平动周期。下表2为桁架节点的位移结果，ul、u2、u3为x、y、z向的平动位移，rl>r2>r3为绕x、y、z轴的转动位移。z向最大位移为81mm。1.结构的屈曲分析是厚度较小的大跨度空间结构体系整体(或局部)构件稳定性的分析。结构失稳(屈曲)是指在外力作用下结构的平衡状态开始丧失，稍有扰动变形便迅速增大，最后使结构破坏。空间壳体结构设计时，稳
6、定性有可能起到控制性作用，而非由强度控制。下表3为屈曲分析结果。程序的屈曲特征方程为:[k-入g(r)]V二0。式中k—刚度矩阵，g(r)-荷载向量r作用下的儿何(p-5)刚度，入一特征值对角矩阵，卩一对应的特征向量矩阵。特征值入称为屈曲因了，在给定模式中，它必须乘以r中的荷载才能引起屈曲，即屈曲荷载为屈曲因子与给定荷载的乘积。也可将入视为安全系数：如入大于4.2,给定的荷载是安全的，否则应修改设计防止结构屈曲。木表中最小的屈曲因了为19.1和-24・3,即木结构在当前荷载下分别乘以19.1和-24・3才会引起正向和反向的屈服，说明结构刚度足够大，在当前荷载下是安全的。三、
7、杆件设计运行分析工况后进行钢结构设计，程序可自动调节杆件大小以满足内力及变形要求，根据程序生成的杆件截面再进行手动杆件优化，最终管桁架柱主杆为4)245x16,柱腹杆为4)159x8,主桁架梁弦杆为4)203x12,腹杆为©168x6,次桁架梁弦杆为4)168x6,腹杆为<1)83x4.设定杆件截面时，弦杆与主杆不应差别太大，以免弦杆侧向支撑刚度不足造成弦杆长细比过大。空间管桁架的圆钢管均采用无缝钢管，严格控制壁厚与直径的公差，其质量等级应符合《结构用无缝钢管》gb(8162-87)的要求。空间桁架主杆和弦杆截而应
