钢管混凝土桁架（精选6篇）
钢管混凝土桁架 篇1
0 引言
钢管混凝土是将混凝土填入钢管中而形成的一种组合结构材料,其结构能充分发挥混凝土抗压和钢材抗拉的能力。近年来,钢管混凝土空间桁架桥作为一种新型桥梁结构形式用于实践工程中,由于结构设计通常采用试算法,致使设计中存在过于安全的现象,造成材料浪费,提高工程造价。因此,对其进行优化是非常必要的。
1 钢管混凝土桁架组合梁式桥优化设计
1.1 数学模型
1.1.1 目标函数
主要从经济实用角度考虑,以钢管混凝土结构的造价最低为目标来构造目标函数,因此提出了如下目标函数表达式:
min
其中,P(x)为工程造价,元;cb为钢管的单位造价(仅考虑材料费),元/kg;cc为混凝土的单位造价(仅考虑材料费),元/m3;As,i为杆件中钢管的截面面积;Ac,i为杆件中混凝土的截面面积;ρb为钢管的密度,kg/m3;li为钢管混凝土杆件长度,m。
1.1.2 设计变量
在混凝土标号、钢材种类和结构中杆件布局已经确定的情况下,影响结构造价的主要因素是杆件中各材料的截面面积,因此,设计变量如下:
1)杆件中钢管的截面面积:As,i。
2)杆件中混凝土的截面面积:Ac,i。
1.1.3 约束条件
约束条件均取于钢管混凝土设计规范以及实际设计工程的要求。
1)应力约束。
杆件为拉弯杆件:
杆件为压弯杆件:
其中,Ni,Mi分别为第i个杆件的轴力和弯矩;As,i为杆件中钢管的截面面积;Asc,i为杆件截面面积;Wsc,i为杆件截面抵抗矩;fsc为杆件组合强度设计值;f为钢材抗拉强度设计值。
2)稳定约束。
其中,NE为欧拉临界力,NE=π2EscAsc,i/λ
3)挠度约束。
其中,δi为杆件顶点的设计挠度;δ为容许挠度。
1.2 两级优化—满应力算法
1.2.1 两级优化法
在众多的约束条件中,根据其性质,一般可以分为两类:只与杆件截面有关的,称为局部性约束,如强度约束为局部性约束;与结构各杆件都有关的,称为全局性约束,如位移约束为全局性约束。由于局部约束与整体约束都是单调递减函数,并且两者之间不存在耦合效应。因此,在一轮优化中,整体约束优化以局部约束优化的最优尺寸下限求解,整体约束优化的最优解一定满足局部约束条件。所以,两级优化的基本思想是:把数字模型分解为两级问题进行优化,两级优化分别独立的进行,第一步,先针对局部性约束,进行局部性的满应力优化,然后再检查位移约束,如不满足位移约束,再进行第二步全局性的满位移优化,直到满足位移约束条件为止。
1.2.2 满应力法
满应力算法的基本思想是:设法使结构杆件中的最不利应力接近或达到材料的许用应力,从而使杆件的材料能够得到充分的利用;对于多工况的结构,需使结构中的每一个杆件在每种工况下达到材料的许用应力。
1.2.3 优化程序编制
1)首先运用杆系结构内力计算程序计算出各工况下的内力值,提取出内力值(轴力、弯矩)数据;然后按照序列两级算法思路对约束进行分类优化;最后判断数值结果是否满足造价收敛条件。
2)用满应力法对杆件截面进行优化的过程中,在某工况下,如杆件为压杆,先对杆件的混凝土截面面积用满应力法优化,得出优化的截面面积后,再根据钢管混凝土杆件规定的最小含钢率计算钢管的截面面积;如杆件为拉杆,先对杆件的钢管截面面积进行满应力优化,得出优化的钢管截面面积后,根据钢管混凝土杆件规定的最大含钢率计算混凝土截面面积。通过这样的方式处理,可以保证在规定的含钢率条件下,单根钢管混凝土杆件的截面造价最低。
3)本程序中对满应力优化的结果都重新进行了结构内力的计算,以保证优化的结果偏差尽量减小。
4)当对位移约束条件进行优化时,是在假设钢管混凝土杆件的含钢率不变的前提下进行杆件截面的优化,这样既降低了优化的复杂性,还可以利用先前计算的内力值数据,通过单位荷载法求解位移,使得位移约束由隐性约束变成显性约束,尽可能的减少结构内力计算次数。
2 实例及计算结果分析
本文以某一钢管混凝土全焊空间桁架等截面连续刚构桥作为研究对象,结构平面见图1(1/2),全桥采用(43.0+72.0+43.0)m跨径,整根主梁是一个正四角锥空间网架,横桥方向及顺桥方向节点间距均为3.8 m,主梁腹杆和下弦杆均为钢管混凝土杆件,腹杆是纵横两方向都倾斜的杆件,呈空间布置,纵向每排腹杆在横向包括4根腹杆,纵向每排下弦杆在横向包括2根下弦杆,上弦为槽钢与钢筋混凝土板组成的钢—混凝土组合板,主墩采用钢筋混凝土双肢薄壁柔性墩,其设计荷载为汽—20,挂—100,人群荷载3.5 kN/m2,混凝土采用C50,钢管采用16 Mn,混凝土价格拟用300元/m3,钢管价格拟用4 500元/t。
1)桁架桥在未进行优化设计时材料费为618 151.97元,优化后的设计结果为530 315.97元,费用降低了14.21%,说明优化后提高了桁架桥的经济效益。
2)优化后,用钢量降低了14.70%,混凝土用量降低了6.48%,说明通过材料费用的优化,进一步协调了桁架桥中混凝土与钢材的使用量。
3结语
两级优化—满应力法在处理离散变量优化问题时是一种行之有效的方法,通过截面两级优化处理与满应力法的结合,提高了优化效率,其优化结果能满足工程的实际需要,可产生明显的经济效益。
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钢管混凝土桁架 篇2
为了全面考察穿心螺栓端板式节点域的应力分布及应力传递情况, 在SJ-1和SJ-2的节点域、节点板处布置了应变花, 其测点编号如图1所示。
图2 (a) ~ (d) 给出了SJ-1在弹性阶段各测点的荷载-主应变曲线。 (a) 图表示了节点板上各测点主应变随荷载变化情况。负向荷载下节点板上第一主应变增长比正向荷载下快。在负向荷载下, 测点4、测点1的主应变较大, 越靠近节点板边, 主应变越小, 测点3最小。在正向荷载下, 测点1、2、3的第一主应变比测点4、5的大, 即上弦杆连接处的主应变比端板连接处的大。 (b) 、 (c) 图分别表示了上弦杆、下弦杆腹板处主应变随荷载变化情况。上弦杆腹板处在正负荷载作用下, 测点6、7一直是主拉应变, 在负向荷载下的主应变明显大与正向荷载下的, 测点6的主应变较测点7的大, 即第一排螺栓处的主拉应变最大。测点8、9在正负荷载作用下, 拉应变明显高于压应变, 测点8主应变较测点9较高, 即下弦腹板内侧主应力大于外侧。 (d) 图表示上弦节点域各测点主应变随荷载变化情况, 在正负荷载下, 各测点主应变一直处于拉状态, 测点11处的主应变最大, 主应变基本对称。
图3 (a) ~ (d) 给出了SJ-2在弹性阶段各测点的荷载-主应变曲线。各测点荷载与主应变的曲线变化趋势与SJ-1相似, 但在相同荷载下, SJ-2的节点板主应变比SJ-1的要大, 这主要是由于端板厚度的影响, 薄端板的变形较大, 相反SJ-2节点域的主应变较SJ-1小。
参考文献
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焊接球钢管桁架施工技术 篇3
新建洗煤厂至西平铁路物流中心下沟煤矿2#转载点至火车装车仓栈桥工程, 全桥长1.27km, 桥面以下部分是由钢框架结构及钢筋混凝土框架结构组成, 柱距由23m~70m不等;基础采用钢筋混凝土桩基础;桥面以上部分由30m~70m不同跨度的焊接球钢管桁架拼装完成, 焊接球钢管桁架主要有上鱼腹钢管受压和下鱼腹钢管受拉两种结构形式 (如图1、图2) 所有钢管桁架由焊接球、无缝钢管和H型钢拼装完成。
2 钢管桁架构件加工制作
材料进场后进行入场检验, 空心球、钢管、H型钢、焊条等必须符合国家相关质量规定。
2.1 焊接球制作
焊接球由工厂加工完成, 现场只对其外观进行检验, 要求:成品焊接球表面应光滑平整、无波纹、局部凹凸不平不大于1.0mm, 焊缝高度与球外表面平齐偏差不大于±0.5mm, 球的直径偏差不大于2.5mm, 球的圆度偏差不大于2.5mm, 两个半球对口错边量不大于1.0mm。
本工程使用的焊接空心球分为无肋空心球和有肋空心球, 具体结构形式如图3和图4所示。
2.2 钢管制作
1.钢管下料长度根据图纸尺寸进行, 且允许偏差为±1mm。钢管端面与杆轴线必须垂直, 所使用的钢管最大弯曲不超过L/1000杆长, 且不大于5mm。同时钢管下料长度应预加焊接收缩量。
2.当钢管壁厚小于4mm以下, 可不开坡口。钢管壁厚大于4mm时, 钢管端部根据设计应做30°破口。为避免材料浪费, 一般情况下压杆允许接管, 接管处要加设短衬管, 对接管件开设坡口, 对接钢管数量不应超过所有受压钢管总数的20%;而拉杆不允许接管。当钢管壁厚>4mm时, 上、下弦杆、受拉腹杆及其它受拉钢管宜加设短衬管与焊接球焊接。短衬管长度为40mm~60mm之间, 壁厚大于4mm, 具体如图5所示。
3.钢管在制作完毕后应涂刷防锈漆, 焊接部位留出50mm不涂刷, 同一品种、规格的钢钢管应码放整齐, 并进行标记, 以利于现场拼装准确。
2.3 H型钢制作
H型钢主要用于门架和上、下弦处, 与焊接球连接, 在下料时根据所连接焊接球的尺寸, 先使用木板在焊接球上进行圆弧段的尺寸放样, 再使用该木板在H型钢的上、下翼缘板和腹板处进行圆弧段放线, 其制作与钢管制作相同。
3 钢管桁架拼装
桁架的拼装应由小单元拼装开始, 从中心逐渐向两侧展开。
3.1 钢管桁架起拱值确定
钢管桁架在制作时应在跨中方向起拱L/400 (L为桁架跨度) , 在现场施工中由于各种因素的影响, 对设计挠度值+20mm进行起拱。中心点起拱值确定后, 按比例确定相应位置的起拱值, 以此来确定每个焊接球的中心标高和球底标高。
3.2 钢管桁架球、杆布置
1.放球:将已验收的焊接球, 按规格、编号放入安装节点内, 同时应将球调整好受力方向与位置。一般将球水平中心线的环形焊缝与上下弦钢管平行放置, 使各钢管在焊接球上的受力集中在加肋板处。
2.放置钢管:将下料成型的钢管, 按规定的钢管规格、位置布置在所连接的两焊接球中心。放置钢管前, 应检查钢管的安装部位规格、长度, 以及坡口成型角度、与焊接球连接处焊缝间隙等, 完成后进行点焊固定。
3.3 钢管桁架拼装顺序及方法
根据现场的实际拼装情况, 钢管桁架结构按从小单元到整体的拼装顺序可以分为两种方法:
方法一:先下弦, 再腹杆和上弦, 最后鱼腹钢管
在平整好的场地上先拼装下弦的钢管, 并对钢管和焊接球连接处进行点焊, 不能满焊, 再拼装两侧腹杆和上弦钢管, 最后完成鱼腹杆件拼装。该种方法使用于跨度大于50m以上的钢管桁架结构, 且占用场地小, 拼装时使用12t小吊车配合, 大量节省了人力等特点, 提高了拼装速度。但在管件对接微调时浪费时间, 增加了吊车的使用费用。
方法二:先腹杆, 再上、下弦, 最后鱼腹钢管
先拼装两侧腹杆, 并将该面所有钢管和焊接球连接处全部满焊完成, 再吊装垂直进行下弦和上弦钢管的拼装连接, 最后进行鱼腹钢管拼装。该种施工方法使用于跨度小于50m以下的钢管桁架结构, 节省了吊车的使用费用, 使其拼装时钢管的对接微调准确, 避免反复校对而浪费时间。但却增加了人员的大量投入, 且占用施工场地较大。
4 钢管桁架焊接、除锈
钢管桁架检查紧固后, 进行桁架满焊。焊接采用“单面焊双面成型网架管球对接焊缝”新工艺, 其做法是:打底焊 (包括固定点焊) 采用准2.5焊条, 根据焊接位置选择焊接电流, 起弧后把坡口钝边烧溶形成溶孔, 同时把球相应部位烧溶, 再压低电弧, 使得熔化后的铁水依次凝结在焊缝内壁, 在背后形成一个补强焊缝, 为提高效益, 后几层焊缝可采用准3.2~准4.0焊条补焊至规定高度。每条焊缝分三层焊完, 但最关键的是第一层焊缝, 既要保证根部焊透, 又要使背部成型良好。将每条焊缝分成4段, 首先焊对称1/4圆弧, 再焊剩下的2个1/4圆弧, 第二、三遍施焊次序与第一次相同, 周而复始完成整个桁架焊接工作。
焊缝经检查合格后, 进行除锈, 彻底清除焊缝表面和钢管破损处的铁锈、油污和灰土等。完成后进行钢管和焊接球的防腐处理, 防腐涂料的喷刷顺序和厚度如表1所示。
5 钢管桁架整体吊装
经过对整体吊装、高空拼装、滑移、分条分块等方案的对比选择, 整体吊装具有施工速度快、钢管内力均衡、应力应变小等多项优势, 该工程选择整体吊装法。采用2台300吨的汽车吊, 在桁架两端各布置一台吊车, 并将钢丝绳分别悬挂于钢管桁架两端支座处的门架上弦焊接球和H型钢的连接点, 每端使用4根准40mm钢丝绳进行悬挂起吊。
5.1 试吊
正式吊装前对桁架进行试提。试提过程是调整各吊点同时逐步离地。试提一般在离地200~300mm之间。各支点撤除后暂时不动, 观察桁架各部分受力情况。如有变形可以及时加固, 同时还应仔细检查桁架吊装前沿方向是否有碰或挂的杂物或临时脚手架, 如有应及时排除。同时还应观察吊装设备的承载能力, 应尽量保持各吊点同步, 防止倾斜。
5.2 正式吊装
桁架试吊无误后方可进行正式吊装。吊装时一定要做到起步平稳, 同步上升, 连续起吊, 防止桁架的扭曲变形。直至桁架提升到即将就位标高之时, 应逐步降低起吊速度, 防止吊装过位。
5.3 桁架就位
待安全吊装桁架的下弦焊接球超过柱顶400mm时, 停止吊装。然后调整桁架与支座的距离, 为此应在桁架上方安装几组手拉葫芦供横向调整使用。并检查桁架整体标高, 防止高低不匀, 如实在难以排除, 可由一边标高先行就位, 调整横向手拉葫芦, 使较高一端先行就位。已调整的一侧钢管应逐步全部点焊固定后, 放松另一侧手拉葫芦, 继续微调另一侧桁架的标高。可以少量的起吊或者下降, 控制标高。边调整, 还应观察已就位点固一侧桁架的情况, 防止开焊。当桁架四周钢管合拢点焊固定后, 检查桁架各部尺寸, 并按顺序、按焊接工艺规定进行焊接加固。
6 结束语
通过在彬县下沟矿洗煤厂转运栈桥焊接球钢管桁架使用以上技术施工, 工程的质量, 进度, 安全得到了保障, 降低了施工成本, 经检业主测机构对焊接球钢管桁架进行验收, 受力变形均满足规范要求, 值得在同类项目参考借鉴。
摘要：依托彬县下沟矿洗煤厂转运栈桥30m—70m不同跨度的焊接球钢管桁架施工, 本文阐述了焊接球钢管桁架的制作, 组装、焊接、吊装等施工工艺, 对同类工程具有借鉴意义。
关键词：焊接球节点,钢管桁架,拼装,焊接,吊装
参考文献
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钢管混凝土桁架 篇4
关键词：空间钢管桁架,ANSYS,杆件内力
采用焊接相贯节点的钢管桁架现已广泛应用于空间大跨度结构中,但计算理论和设计方法还沿用传统的桁架理论,空间钢管桁架几何尺寸的改变对其杆件内力变化研究得较少,针对这一问题,选用空间倒三角桁架结构作为研究对象,利用ANSYS有限元软件对空间钢管桁架进行静力分析,得出截面形状参数及杆件截面面积对空间管桁架杆件内力的影响。
1 计算模型
1.1 传统桁架理论
传统桁架理论在计算时,认为桁架的结点都是光滑的铰接点,各杆的轴线都是直线,并通过铰的中心,荷载和支座反力都作用在节点上。在上述理想情况下,桁架各杆均为两端铰接的直杆,计算简图各杆均用轴线表示,且都是只承受轴力的二力杆,因此对于桁架的计算方法有结点法和截面法两种。
1.2 计算方法介绍
1.2.1 假定
与实际结构相比,在模型分析中,采用如下假定:假定结构所用的钢材为弹性材料;由于实际桁架不符合传统桁架理论所描述的理想铰接情况,所以结构弦杆和腹杆的节点,连接均视为刚性连接;桁架内力分析采用一阶弹性分析法。
1.2.2 ANSYS有限元计算软件的实现
计算模型采用空间到三角形钢管桁架,利用ANSYS软件进行建模,由于研究中把所有接点均视为刚接,模型截面为圆管截面,因此在软件中采用BEAM188单元进行模型计算,综合考虑后对模型网格划分为:在截面圆周方向均划分为36个单元,而在圆管长度方向,单元长度上取节点间长度的1/10。
1.2.3 模型简图及约束情况
计算模型采用倒三角形截面进行受力分析,其计算模型简图见图1。
模型边界条件全部采用铰接支座,一端下弦施加X, Y, Z三个方向的位移约束,另一端只施加X, Z两个方向的位移约束,释放其轴向位移,这样,整个计算模型就相当于一个简支梁;上弦杆两端施加X方向的侧向约束。
1.2.4 荷载的施加
根据工程实际情况,桁架上施加由活荷载和恒载组成的面荷载,再由檩条传导到桁架上弦节点处。活荷载为0.5kN/m2,恒荷载为0.5kN/m2,荷载组合为1.2×恒荷载+1.4×活荷载。
2 空间钢管桁架的静力分析
对于空间三角形钢管桁架而言,当确定了截面高度H,上弦宽度W,以及节间长度S后可确定一种截面形状,下面分别讨论这几个参数及杆件截面面积对杆件内力的影响。
所计算模型的基本截面形状参数为:跨度L=60 m,截面高度H=4 m(可变),上弦宽度W=3 m(可变),节间长度S=4 m(可变)。
进行对截面形状参数对管桁架性能影响的研究时,方法是单一改变一个参数,其它参数不改变。即分析上弦宽度W变化时,取值为0.5 m,1 m,1.5 m,2 m,2.5 m。分析截面高度H变化时,取值为2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m。分析节间长度S变化时,取值为2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m。对于杆件截面面积的改变,将采用五组不同的杆件来实现。
2.1 上弦宽度W对结构性能的影响
参照实腹式的I字型截面梁,由σ=My/I,增大翼缘宽度会增大Iy,相应的σ会减少,梁的刚度也会因此而相应增加,即上弦宽度对结构的侧向抗弯刚度影响很大。根据此原理,在截面高度H取为4 m,节间长度取为4 m,将上弦宽度W取为0.5 m,1 m,1.5 m,2 m,2.5 m,进行有限元计算和分析,计算结果如表1。
由表1可以看出,随着上弦宽度的变化,弦杆的内力基本上保持不变,但是腹杆和跨中挠度都有显著的变化,上弦宽度的增加,造成竖面腹杆的倾角相应增加,竖面腹杆的轴力在持续增加,传递到水平面上垂直腹杆的力也在增加。同时,竖面腹杆轴力的增加也造成了杆件剪切变形的增加,反映到结构即是结构跨中挠度的增加。
2.2 截面高度H对结构性能的影响
在一段实腹梁中,由σ=My/I,梁截面高度越大,Ix越大,相应的σ会越小,所以如果降低截面的高度,会引起截面应力相应增加,而且增幅比较大,那么参照实腹梁,将截面高度H取为2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m,此时上弦宽度W取为3 m,节间长度取为4 m,进行有限元计算和分析,计算结果如下:
由表2可以看出,在截面弯矩不变的情况下,上下弦杆的内力也仅仅是当截面高度有变化的时候,才会发生较大幅度的变化,跟其它的截面参数没有关系。由于同一构件的不同截面处弯矩也并不相同,故设计成变高度的截面,可充分利用材料,经济性好,且外表美观。
同时,随着截面高度的增加,由于倾角的减少,腹杆的轴力表现持续的减少,而由于弯曲变形和剪切变形的减少,跨中的挠度也逐渐变小,其减少趋势是先快后慢。
由以上可以看出,截面高度是影响构件选择尤其是弦杆选择的一个非常重要的因素,其结构刚度的影响也是非常显著的,远大于其它因素,必须在满足建筑要求的情况下,从经济美观和受力均衡的角度综合考虑,选择出合适的截面高度。
2.3 节间长度S对结构性能的影响
节间长度的大小会直接导致腹杆夹角的改变,改变节间长度S,分别取值2 m,2.5 m,3 m,3.5 m,4 m,此时截面高度H取为4 m,上弦宽度W取为3 m,由于施加的是均布荷载,所以S改变时,荷载导到每个节点上的数值也相应改变,进行有限元分析,计算结果如下:
由表3可以看出,改变节间长度以后,弦杆的内力略有变化,随着节间长度的增加而减少,其主要原因在于,弦杆的最大内力与截面高度的乘积代表了一个节间长度范围受的弯矩的平均值。同时腹杆的轴力有了相应的变化,类似于上弦宽度的增加,随着节间长度的增加,竖面腹杆的倾角相应增加,所以竖面腹杆的轴力在持续加大,传递到水平面上垂直腹杆的力也在增加。
跨中挠度也随着节间长度的增加呈减少的趋势,最后趋于稳定,从中可以看出如果腹杆布置过密对结构的刚度没有起到积极的作用,反而加大了跨中挠度,但节间长度也并非是越大越好,合适的节间长度受制于檩条的经济跨度,且为了保证腹杆与弦杆与弦杆的连接的可靠,一般的倾角控制在35°-55°之间。
2.4 杆件截面面积对结构性能的影响
根据结构力学的知识,静定结构中的杆件内力与截面的尺寸无关,在空间桁架中截面面积对杆件的弯曲应力基本无影响,但是对结构的变形起着一定的作用,以改变腹杆尺寸为例,依次将计算模型的截面尺寸改为:① 上弦219×8,腹杆140×6,下弦273×10;② 上弦219×8,腹杆152×7,下弦273×10;③ 上弦219×8,腹杆168×8,下弦273×10;④ 上弦219×8,腹杆180×9,下弦273×10;⑤ 上弦219×8,腹杆194×10,下弦273×10。(单位为mm) ,算结果如表4。
由表4通过比较可以发现,跨中的挠度随着截面尺寸的加大而略有减少,体现了单个杆件的剪切变形的减少,因为竖面斜面腹杆主要承担抵抗剪力的作用,随着截面的变大,杆件的剪切变形变小,反映到结构上就是挠度减少,随着腹杆的截面面积的增加,竖面腹杆上的力也有增加。
3 结论
通过对空间钢管桁架进行的有限元静力分析,考察各几何参数的变化对杆件内力的影响得出以下结论。
上弦宽度W加大时,对于桁架平面内力提高不是很大,但是由于W增大,平面外的Iy也跟随增大,随之带来的是平面外的刚度增加,但同时竖面腹杆的倾角在相应的增加,竖面腹杆的轴力在持续的增加,传递到水平面上垂直腹杆的力也在增加,因此并不是W越大越好。
截面高度H增加时,Ix增大,上下弦杆的内力均减小,同时倾角减少,腹杆的轴力表现持续的减少,而由于弯曲变形和剪切变形的减少,跨中的挠度也逐渐变小。
节间长度S加大时,弦杆内力随着节间长度的增加而减少,腹杆的轴力的轴力也在加大。
腹杆尺寸增加时,单个杆件的剪切变形的减少,反映到结构上就是挠度的减少。
直线形空间倒三角形管桁架在受到竖向均匀荷载作用的时候,表现出腹杆抗剪,弦杆抗弯的受力机理,弦杆轴力的主要影响因素是截面的高度,而竖面斜腹杆轴力的主要影响因素是竖面腹杆与竖直线的倾角,水平腹杆在竖向荷载作用下受力较小,但是如果受到明显的扭矩的作用的话,必须考虑适当的加大水平腹杆的截面尺寸。
参考文献
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[4]郑红.钢管桁架屋盖结构的静力性能分析.国外建材科技,2007;28(5):89—91
钢管混凝土桁架 篇5
1 钢管桁架结构的形式和特点
钢管桁架结构是钢管结构中的重要一种, 是桁架结构采用钢管材料构成的一种结构形状, 也称钢桁结构、管桁架、管结构等。
1.1 钢管结构的分类
根据受力特性和杆件布置不同, 可分为平面管桁结构和空间管桁结构。平面管桁结构的上弦、下弦和腹杆都在同一平面内, 结构平面外刚度较差, 一般需要通过侧向支撑保证结构的侧向稳定。在现有管桁结构的工程中, 多采用Warren桁架和Pratt桁架形式, Warren桁架一般是最经济的布置, 与Pratt桁架相比, Warren桁架只有它一半数量的腹杆与节点, 且腹杆下料长度统一, 这样可极大地节约材料与加工工时。Vierendeel桁架主要应用于建筑功能或使用功能不容许布置支撑斜杆时的情况。空间管桁结构通常为三角形截面, 与平面管桁结构相比, 它能够具有大的跨度, 且三角形桁架稳定性好, 扭转刚度大、外表美观。
1.2 钢管结构连接件的截面形式
常用的杆件截面形式为圆形、矩形、方形等, 按连接构件的不同截面可分为以下几种桁架形式:C—C型桁架:即弦杆和腹杆均为圆管相贯的桁架结构;R—R型桁架:即弦杆和腹杆均为方钢管或矩形管相贯的桁架结构;R—C型桁架:即矩形截面弦杆与圆形截面腹杆直接相贯焊接的桁架结构。利用油田废旧油管杆所实现的桁架结构属于圆钢管桁架。
1.3 钢管结构的优越性
(1) 构造方面。传统的钢结构经常采用板型节点, 而钢管桁架结构将支主管直接焊接成相贯节点 (或成为管节点) , 在相贯节点处, 只有在同一轴线上的两个主管贯通, 其余支管通过端部相贯线加工后, 直接焊接在贯通主管的外表, 节点形式简单, 节省材料。桁架整体属于格构式构件, 可建成平板形、圆拱形、弓形等, 具有造型独特、简洁流畅的特点。
(2) 施工方面。由于在节点处各杆件直接焊接, 所以施工简单、速度快, 容易实现工期目标。并且由于钢管结构和槽钢、工字钢等材料相比和大气接触面积少, 没有难以清刷防锈漆的死角和凹槽, 在除锈和维护方面比较方面。
(3) 受力方面。与传统的开口截面钢桁架相比, 钢管的管壁一般比较薄, 能充分发挥材料的强度, 钢管桁架结构截面材料绕中轴相对均匀分布, 回转半径大, 截面同时具有良好的抗压和抗弯扭承载能力及较大刚度, 结构稳定性好, 从而减少了构建的用钢量, 特别是在由长细比控制的压杆及支撑系统中采用更为经济。
2 钢管桁架结构在油田地面建设中的应用
根据实际情况, 长庆油田常用废旧油管杆进行除锈、防腐后制成空间桁架, 其结构多为三角形截面, 一组三角形桁架类似于一榀空间刚架结构, 更为经济, 可以减少侧向支撑构件, 提高了侧向稳定性和扭转刚度。当跨度大而风荷载可能对弦杆产生较大弯矩时, 将拱做成桁架式来承受较大弯矩是效果最佳的。对于小跨度结构, 可以不布置侧向支撑。
2.1 在管线跨越、栈桥工程中的应用
油田输送油品和天然气的钢制管道不可避免的需要跨越一些河流和山谷, 目前跨越形式多种多样, 在简化结构、扩大跨度、改善抗风性能、使用高强度材料和新的施工技术等方面也不断地有新的发展。其中一类是管道不作为跨越中的受力构件, 只是敷设于桥面, 称之为桁架管桥, 是一种空腹梁结构, 管道是结构上弦, 再用两榀桁架组成三角形或矩形空腹梁, 这样结构刚度大, 稳定性好, 适用于跨越中、小型河流。为了充分利用材料, 管桥结构中腹杆的管径可以比上下弦杆小, 油田跨越工程中腹杆常利用修复油管进行制作, 实现了良好的经济效益。
2.2 在工业厂房、仓库中的应用
油田废旧油管杆以及角钢等比较多, 为了盘活资源, 更好的实现节能创效工程, 可以利用结构理念进行有效设计, 创造出更好的服务于油田的工程, 助推生产经营工作的良性运行。在油田建设中, 跨度较小时, 屋面部分将桁架结构的外形设计成与弯矩图相似的形状, 从而使桁架的弦杆受力均匀。当跨度较大时, 利用桁架式拉杆拱来承担风荷载对弦杆产生的较大弯矩是较为经济的。
在长庆油田诸多采油作业区料棚建设中, 就是利用废旧油管杆修复后进行施工, 顶部结构由两根上弦杆和一根下弦杆组成的三角形截面, 所有杆件均采用油杆组成的空间桁架结构。这种三角形空间桁架结构属于单向受力结构, 桁架的上弦增大了宽度后, 使原平面桁架起控制作用的上弦杆件提高了稳定性, 改善了结构的工作性能。在排柱部分将几根油管焊接在一起, 受力形式类似于钢结构中的格构柱, 并设置柱间支撑进行加固, 提高结构的整体性刚度。
2.3 在大跨度空间结构的应用
用结构概念分析, 由于梁截面存在应变梯度, 只有当构件是轴心受力时, 材料利用率才可能增大, 于是就出现了平面桁架, 平面桁架可以理解成“掏空”的梁, 将梁中多余材料去除, 既经济, 又降低自重;故桁架的上弦相应于梁的受压边, 下弦相应于受拉钢筋。如果把这些平面外的支撑再连接成桁架, 这样就使平面桁架变为平面交叉桁架, 最后发展为空间网架。空间网架的材料利用率高, 应力水平高, 故在大跨度、大空间结构中广泛使用。
在长庆采油三厂盘古梁采油作业区前线指挥部房屋建设中, 其天井布置就采用了双层桁架梁与拱形桁架组合成交错结构体系, 跨度为13米, 长度27米。达到了传力明确、结构轻盈、实用美观的目的 (如图3所示) 。
2.4 在零星工程中的便捷运用
由于油田废旧油管杆使用便捷, 在凉亭、广告牌、井站大门、简易工棚、货架、蔬菜大棚、拦油坝等零星工程中多有运用, 很大程度上助推了油田的效益性开发。在此只个别列举, 实际生产中油田建设者可运用其聪明的才智和娴熟的焊接技术建造出更加美观、实用的建筑物和构筑物。
3 钢管桁架结构研究现状及存在的问题
桁架结构设计主要是外形尺寸、构件尺寸及节点形式的设计。外形设计主要是桁架的总体布置、跨度、高度、节间距离、桁架间距及腹杆的布置, 应尽量减少连接数量;构件尺寸的选择与节点形式相关联, 应通过节点承载力计算以及构件强度及稳定性验算来确定。国内外对于管桁架结构的研究, 主要集中在管节点的分析。因为节点的破坏往往导致与之相连若干杆件的的失效, 从而使整个结构破坏。对管节点静力性能的研究方法, 主要有三类:试验、解析理论和数值分析 (有限元方法) 。近年来, 随着计算机运算速度的不断加快以及编程语言的发展, 多运用有限元方法进行管节点的极限承载力计算。
钢管桁架结构在计算分析时所采用的模型主要与节点的刚度有关, 目前规范规定在满足要求下按铰接进行设计, 但实际支主管相贯节点是介于刚接与铰接之间的半刚性节点, 这样就存在假设与实际的差别。对于节点研究方面, 静力计算已经提出了相应的计算方式, 节点刚度如何考虑是目前急需解决的问题。对于承受动力荷载的钢管桁架结构, 节点的疲劳性能又显得很重要, 目前也缺乏相关的研究。
4 结语
本文就钢管桁架结构的特点进行了探讨, 特别对油田地面建设中钢管桁架结构的应用效果进行了分析, 充分展现了在油田环境中的广泛应用前景。对于利用废旧油管杆制成的钢管桁架结构来说, 目前大多是通过结构概念设计和定性分析来实现, 节点刚度的研究及桁架整体变形的计算还不完善, 需进一步进行研究。
摘要：近年来, 钢管结构不仅应用于海洋平台、桥梁、起重机械工程, 而且通过圆钢管结构、方钢管结构的实践应用, 在工业厂房、简易仓库、大跨房屋等结构中取得了非常理想的效果。本文从节能、创效、实用角度出发, 利用结构设计原理, 重点分析了钢管桁架结构的特点以及在油田地面建设中的应用。
关键词：钢管桁架,废旧油管,应用
参考文献
[1]J.沃登尼尔.钢管截面的结构应用[M].张其林, 刘大康, 译.上海:同济大学出版社, 2004
[2]中华人民共和国建设部.钢结构设计规范 (GB50017—2003) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2003
钢管混凝土桁架 篇6
钢管结构是一种由管状截面构件连接而成的钢结构形式。近年来随着钢结构的飞速发展, 钢管结构因其具有良好的几何特性、优美的外观, 应用十分广泛。矩形钢管桁架是钢结构中的一种重要形式, 与圆形钢管相比, 矩形钢管能够提供更大的刚度, 但其构件具有明显的极轴方向, 导致矩形钢管桁架施工工艺相对复杂, 常用于某些大跨度人行天桥或工业廊道中。在矩形钢管桁架节点区域, 一般容易出现管壁的局部屈曲和开裂, 然而节点外的杆件内力相对较小, 因此, 综合经济与安全考虑, 通常仅针对节点区域进行强化处理即可。实际常用外套管或内加劲板等措施进行强化。结合重庆港主城港区果园作业区廊道工程, 利用有限元分析方法, 对工程中使用的KT型节点进行加强处理, 分为无加强、衬加劲板加强两种方式进行。
1 工程概况
本工程为重庆港主城港区果园作业区廊道工程中的栈桥, 主要结构跨度为38. 5 m, 结构采用钢管桁架结构, 如图1 所示。钢管桁架的弦杆和腹杆均采用矩形钢管。本文研究对象是其结构中的过渡KT型节点, 具体的连接形式如图2 所示。焊接采用全熔透坡口焊缝, 杆件连接处做喇叭口过渡段, 过渡段角度在20° ~30°。
2 有限元分析
本文选用ABAQUS有限元软件分别对无加强节点和加劲板加强节点进行分析和计算。通常情况, ABAQUS中壳单元分别为常规壳单元和基于连续体的壳单元两类。常规的壳单元通过对单元的平面尺寸、表面法相和初始曲率的定义来离散参考面。常规单元不能通过节点定义厚度, 一般通过截面属性定义壳的厚度。本文选取ABAQUS中的S4R壳单元。
2. 1 材料特性
过渡型KT节点交汇处的主管、中管、支杆均采用Q345B低合金高强度结构钢。钢材的应力应变曲线选择如图3 所示。
1) 弹性阶段。如图3 所示第一段斜线, σ = Esε ( σ ≤ fy) 。2) 强化阶段。如图3 所示第二段斜线, σ = 0. 01Esε ( σ > fy) 。
2. 2 荷载及边界条件
从空间钢结构分析软件SAP2000 中的模型中提取杆件轴力, 选择1. 2D + 1. 4L + 1. 3E荷载组合, 左中右支杆的受力比例为3. 67∶ - 0. 95∶ - 2. 23。选择如图4 所示边界条件及加载方式。
2. 3 有限元模型的建立
在有限元程序中建模之前, 必须要确定主支管的长度和研究参数。据以往研究, 主管长度l1与主管宽度b0的比值在6 ~ 12 之间, 主管长度对节点性能的影响很小, 支管长度l2与支管宽度bi ( i = 1, 2, 3) 的比值在6 ~ 10 之间, 支管长度对节点性能的影响可忽略不计。结合本文的研究需要, 主支管长度分别取l1= 9b0, l2= 8b2。节点几何参数为: 主管宽度b0= 350 mm, 支管宽度bi=350 mm ( i = 1, 2, 3 ) , 过渡段长度L = 800 mm, 过渡段角度 α1=30°, 主管厚度t0= 16 mm, 支管厚度ti= 8 mm ( i = 1, 2, 3) , 支管与主管夹角 θ = 40°。采用四边形壳单元对模型进行网格划分, 网格划分如图5 所示, 图6 为加劲后节点内部图。
2. 4 分析结果
1) 破坏模式的对比见图7。
图7a) 为第二类未加劲典型节点在拉杆荷载为3 303 k N时的破坏形态, 图7b) 为相同节点加劲后在拉杆荷载为4 044 k N时的破坏形态。对比后可以发现, 两者最终的破坏模式类似, 都是以拉杆和过渡段都屈服为特点。但是所承受的荷载不同。除此之外, 可以发现加劲后节点拉杆与过渡段相连处未发生明显的变形, 而未加劲节点在此处出现隆起, 这足以说明加劲板对节点的变形起到约束作用, 有效控制了节点的屈曲变形。
2) 节点塑性开展的对比见图8。
图8a) 为拉杆荷载为1 651. 5 k N时, 加劲前典型节点的V-Mises应力云图, 此时未加劲节点已出现应力集中, 位于左侧过渡段与弦杆相连处角点。图8b) 为拉杆荷载为1 468 k N时, 加劲后典型节点的V-Mises应力云图, 此时各杆件受力较为平均, 未出现应力集中现象。图8c) , 图8d) 分别为拉杆荷载为2 202 k N时, 典型节点加劲前和加劲后的V-Mises应力云图, 此时未加劲节点左侧过渡段外表面部分单元已进入塑性, 而加劲后节点仅在过渡段与弦杆相连处角点出现应力集中。图8e) 为拉杆荷载3 033 k N时加劲前典型节点的V-Mises应力云图, 此时未加劲节点左侧拉杆和过渡段已经完全进入塑性状态, 与之相连的弦杆上表面也有部分区域进入塑性状态。图8f) 为拉杆荷载为2 936 k N时, 典型节点加劲后的V-Mises应力云图, 此时节点仅左侧过渡段少数单元进入塑性。
3) 节点极限承载力的对比。
图9 为典型节点加劲前和加劲后的荷载—位移曲线图。从图中可以看出, 未加劲节点和加劲节点在弹性阶段的曲线较为相近, 但是加劲后节点的弹性阶段较未加劲节点长, 即加劲后节点较晚进入塑性状态, 并且进入塑性阶段后的刚度较未加劲节点强。此外, 由图反映出加劲后节点的极限承载力为4 075. 5 k N, 而未加劲节点的极限承载力为3 041 k N, 加劲后极限承载力较加劲前提高了将近1. 34 倍。
3 结语
本文对未加劲过渡KT型节点和加劲后过渡KT型节点采用有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟分析, 根据所得结果对二者进行了破坏模式、塑性发展状况以及极限承载力三方面深入对比, 主要得到以下结论:
1) 对比未加强和加强后节点的破坏模式, 可以发现未加劲节点的破坏先由各杆件交汇处破坏发展到杆件的破坏, 而加劲后的节点先由杆件破坏, 然后蔓延至节点交汇处。加劲后的节点充分体现出“强节点, 弱构件”这一原则, 对整体结构抗震性能起到积极作用。
2) 加劲后的节点强度和刚度明显优于未加劲节点。加劲后节点的极限承载力明显高于未加劲节点, 并有效的减少节点应力集中现象。
3) 加劲板对杆件的变形起到一定的约束作用, 有效控制了节点的屈曲变形。
参考文献
[1]李星荣.钢结构连接节点设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.
[2]庄茁.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京:清华大学出版社, 2009.