钢桁架结构

钢桁架结构（共10篇）

钢桁架结构 篇1

0 引言

结构力学[1]作为土木工程专业高等教育的重要组成部分, 对于高素质人才的培养有着承前启后的作用。长期以来, 结构力学教学工作以理论教学为主, 缺乏必要的实验教学作为支撑。这使得学生对于结构力学的学习难以有深入直观的了解, 不利于学生今后的深入学习。为了让学生能够更好的深入力学的学习, 并掌握实验研究的基本方法和技能, 增强开展实验研究的能力。目前, 国内大学已开始探索多种教学实验方法[2]。针对目前实验教学的需要, 结合已开展的实验教学的经验, 设计了一个固定式钢桁架结构力学实验系统。基于此实验系统, 学生能够运用所学的力学知识, 通过系统提供的结构, 拟定实验方案的具体步骤, 展开多种实验方案下的力学参数验证。通过实验学生可以进一步掌握结构力学桁架结构计算模型的简化原理, 理解理论计算方法的误差, 这样就做到了学生在实验中学习研究。

1 实验装置概况

1.1 实验装置设计

本次实验设计了一个缩小尺寸的屋架式钢桁架结构, 该屋架跨度为3 000 mm, 高度为800 mm。桁架的截面为双等边角钢, 各节点均由节点板焊接连接, 钢材等级为Q235-B, 焊条选择E4303。屋架形式和几何尺寸见图1。

1.2 实验装置截面尺寸设计计算

钢架节点荷载:F=1.35×15 k N=20.25 k N。

假定钢架杆件的连接均为铰接, 则屋架为静定结构, 内力计算与杆件截面无关。计算简图和内力系数分别如图2和图3所示。

以上计算可得, 杆件内力如表1所示。

杆件截面选择。

1) 上弦杆。

整个上弦杆采用等截面设计, 按照杆件AB, BC的最大设计值进行内力计算:

计算长度取较大值l0x=l0y=529 mm。

最大杆件压力为-64.4 k N, 取中间节点板和支座节点板的厚度均为8 mm。

设λ=60, 采用双角钢截面为B类截面, 查表得φ=0.8077, , 所所需截面面积为:

所需回转半径为:

根据ix, iy, A查角钢规格, 为取较大安全空间选用2∠50×50×3。

其中A=5.942 cm2, ix=1.55 cm。

由λx=32.13, 可查得φ=0.928, 则:

故此截面满足要求。

2) 下弦杆。

整个下弦杆采用等截面设计, 按照最大内力来进行界面设计, 因此取N=56.9 k N, 按《钢结构设计规范》5.1.1并考虑较少杆件类别和便于连接。选取下弦杆为2∠50×50×3, 经验算满足要求。

3) 斜腹杆与竖腹杆。

斜腹杆CD轴力N=-17.82 k N。

故满足要求。

同理, 可计算并简化设计得到斜腹杆BD, DE, EF, 竖腹杆FG杆件均选用2∠25×25×3。

综上, 该装置的截面汇总见表2, 实体图见图4。

1.3 测点布置

实验主要内容:1) 构件每段的中点应变值;2) 构件中AD, DE, CE, FG段两端横截面应变值。其中值得注意的是:1) 中应变片粘贴在每段中点横截面的中性轴的两侧, 2) 中应变片在上弦杆AD和下弦杆CE沿横截面分别粘贴5个应变片, 斜腹杆DE和竖腹杆FG沿横截面分别粘贴4个应变片。

1.4 加载制度

实验[3,4]采用等增量法, 选取3 k N作为每级增加的荷载, 每级加载完成后测定一次各测点的应变增量。荷载分为5级加载, 从0加载至15 k N。实验加载到15 k N即停止并卸载, 然后重复下一组实验。实验分为三组, 分别为三点对称加载、两点对称加载和两点不对称加载, 以下分别简称A组、B组、C组。每组实验重复进行三次以提高实验精确度。在试验正式开始前, 首先施加3 k N的竖向荷载, 主要用于检查仪表及应变片是否工作正常。

2 实验结果与分析

2.1 轴心受压分析

为了研究轴心受压状态下桁架的应力与理论是否吻合, 需要分别选取3个特征杆段如图5~图7所示。

其中图5~图7分别为A组实验中杆段AD, B组实验中杆段HJ, C组实验中杆段FI中点双角钢截面两个角钢各自的应变值。从图6中可以看出两块角钢的应变几乎完全重合;而图5和图7中加载初始阶段应变几乎完全相同, 在加载的最后阶段出现了微量的差值, 但属于正常的误差范围。总的, 从图5~图7中看出在轴心受压状态下双角钢截面中两个角钢所受的应力值大小基本相同 (图中+和-分别代表截面同一位置两侧的应变片测得的数据) 。

2.2 对称荷载分析

在对称荷载作用下, 本文中钢桁架构件在对称位置有相同的力值。实验中有两组为对称加载, 故选取两根特征杆段分析, 分别选取A组实验中杆段AD和杆段IL;B组实验中杆段EG和杆段GH。从图8和图9中看出, 在加载力大小等量增加的情况下, 对称位置应变值等量增加且对称位置的4个测点值几乎完全重合, 符合结构力学对于对称荷载的理论值。从得到的应变值来看, 同等条件下应变值最大相对误差约为8%, 实验值较符合实际情况。

2.3 桁架杆段轴力分析

当钢桁架构件受力后, 桁架内电阻应变片随杆件伸长或缩短, 使自身电阻改变。通过电测原理, 利用电阻应变仪可测得各杆段中性轴处的最大应变值εmax。依据虎克定律公式F=E·A·ε求得杆段所受的轴力实测值。从A组、B组、C组实验中分别选取4根杆段, 计算过程见表3~表5。

从表3~表5的三组实验数据分析可得:经过计算, 实测值与计算值的误差均在10%以内, 说明粘贴在钢桁架杆件中性轴位置的应变片能够较好的反映钢桁架结构在受力状态下轴力值的大小。

2.4 桁架杆段截面弯矩分析

由于实际钢桁架的结点采用焊接连接, 其结点是具有一定刚性的连接, 所以实际桁架杆件内不仅会产生轴向应力、还会产生弯曲应力和剪切应力。选取杆段DE作为特征杆段, 钢桁架的弯矩计算值采用ANSYS通用有限元程序Beam189单元分析得到, 该单元是基于Timosheuco梁理论, 考虑剪切变形的空间三维薄壁梁单元, 沿单元轴向采用三节点二次插值, 每个节点七个自由度 (考虑翘曲) , 能够考虑大转动、大应变等几何非线性及弹塑性情况。它不仅适用于开口、闭口薄壁截面, 而且也能够自定义截面形状。本次计算钢架被划分为306个Beam189单元。

杆段弯矩实测值由计算公式:得到, 计算过程见表6。

由表7数据分析可得:杆段DE弯矩实测值与计算值误差较大, 但是在比较弯矩产生的应力与轴力产生的应力时可见, 弯矩产生应力与轴力产生应力的比值很小。故实际桁架构件按理想桁架计算完全可以满足要求。

2.5 误差分析

通过分析以上实验数据, 产生误差的主要原因有:

1) 钢桁架各杆件之间为焊接连接, 结点具有一定刚性, 故实际结构为超静定, 超静定结构在焊接过程中会产生初始弯矩, 从而对测量结果造成影响;

2) 钢桁架各连接节点处通过加固盖板连接, 故在实际结构中节点处有加强, 这也对测量结果造成影响;

3) 在实验过程中, 加载点不能精确对准中心位置, 导致数据造成微量的偏心荷载, 给对称性数据造成一定的误差;

4) 本实验装置在加工精度方面存在误差, 故对于理论值的计算存在一定的误差。

3 结语

通过实验得到的具体的测试结果表明, 固定式力学实验装置的实验情况较为理想, 得到的数值精度高, 既能够较好的反映出结构力学的基本概念和理论, 又能正确反映出理论值与实测值的误差, 可以应用于日常的实验教学中。本实验将结构力学的计算模型与实际测试数据验证, 学生可以深刻理解结构力学中桁架结构铰接模型, 认识到理论计算方法的误差, 这样就做到了学生在实验中学习研究。

摘要：主要介绍了一种基于实验教学基本原理和功能开发的固定式钢桁架力学实验系统, 实现了多种加载方案的结构力学实验, 并通过实验完成了对多种结构力学桁架结构计算模型的简化原理的准确性验证, 为学生提供了一个理想的学习实践工具, 也为实验教学提供了一个可靠的平台。

关键词：钢桁架,固定式力学装置,实验教学

参考文献

[1]龙驭球, 包世华.结构力学1:基本教程[M].北京:高等教育出版社, 2006.

[2]刘鸿文.材料力学 (上下册) [M].北京:高等教育出版社, 2003.

[3]刘礼华, 欧珠光.结构力学实验[M].武汉:武汉大学出版社, 2006.

[4]刘礼华.以基本内容为核心创建结构力学实验体系[J].理工高教研究, 2007, 26 (1) :116-117.

钢桁架拱桥吊杆安装及监控工艺 篇2

关键词：钢桁桥拱桥；吊杆安装；安装过程监控

中图分类号：U448 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）08-0096-02

1 工程概况

秦皇岛市大汤河景观桥为中承式钢桁架拱桥，桥梁跨径35+80+35=150m，中间拱为中承式，两侧拱圈为上承式飞燕形式，拱圈由上弦拱肋和下弦拱肋两部分组成，之间采用焊接工字钢连接形成平面桁架，与两拱圈连接部分采用节点板栓接，横桥向两片拱肋之间采用横撑连接。中跨下承式部分吊杆采用两种形式，除6号吊杆采用外径30mm的钢拉杆外，其余均采用OVM.GJ15-3CR型钢绞线整束挤压拉索。

2 吊杆安装工艺流程

吊（索）杆安装需与桥面系配合施工，工艺流程如下：0#吊索【横梁定位（位置、高程）→挂索→吊杆下端连接→复测标高是否达到设计要求→吊杆调整】→1#吊索【横梁定位（位置、高程）→挂索→吊杆下端连接→复测标高是否达到设计要求→吊杆调整】→0-1#间纵梁焊接→（顺序安装吊索、横梁、纵梁）→桥面系焊接→全桥标高复测→全桥调索→吊杆锁定。

吊杆简图如图1所示。

3 吊（索）杆安装

将吊索水平运至桥面起吊位置，用升降车将组装好的吊索竖直吊起，将上叉耳螺孔对准拱桥的拱肋板孔，用柱销锁紧；将下叉耳的螺孔对准桥面肋板孔，用柱销锁紧（以此类推分别安装其余吊杆）。根据高程进一步调整调节套筒，使桥面完全达到设计高程后锁紧螺母。

安装注意事项如下：

（1）加强监测工作，利用监测数据分析施工现状并采取相应的处理办法。

（2）吊杆索在运输过程中不能有损坏，尤其是HDPE外防护层。

（3）吊杆索安装前要检查牵引设备、吊具、支承架、牵引绳等机具是否有足够的工作能力，各连接处要安全可靠。

（4）采用对称调索，记录要全面无误。

（5）调索顺序和桥面标高要符合设计和监测要求。

4 吊索索力调整

吊索（杆）力的大小与均匀程度直接影响到桥梁成桥时的线性、各结构的内部应力分布以及使用中的荷载效应，最终对桥梁的美观、安全以及使用寿命起到十分关键的作用。

4.1 吊杆力调整

吊杆力调整的目的主要有以下3个方面：

4.1.1 使得桥梁的吊杆力与理论值相符，达到均匀的程度并达到设计要求。

4.1.2 桥梁线性平顺，误差符合规范要求。

4.1.3 结构内力（桁架拱及主梁应力）分布均匀，在调整吊杆力过程中保证桁架拱及主梁的内力不发生明显的变化。

4.2 吊杆力调整步骤及方法

4.2.1 吊杆力的初步测量。吊杆力采用频率式吊杆力动测仪进行测量。

4.2.2 理论计算。采用空间有限元分析程序MIDAS CIVIL进行理论计算，得到正常施工的理论吊杆力。再在模型中输入初测吊杆力，经过调整，在模型中使得吊杆力达到正常施工的理论吊杆力。

4.2.3 第一次调整吊杆力。吊杆力采用压力传感器及频率式吊杆力动测仪进行测量。压力传感器用于吊杆张拉阶段对张拉吊杆的吊杆力进行测定，同时对吊杆力动测仪的动测系数进行标定。频率式吊杆力动测仪用于各调整阶段已调整的吊杆进行吊杆力测定。拟定按照从两边对称向跨中的顺序对吊杆力进行依次的调整。目的是使得吊杆力初步接近设计要求，并得到准确的吊杆力实际值，对吊杆力动测仪完成系数标定。

4.2.4 第二次调整。由于已采集到准确的吊杆力实际值，在经过模型理论计算后，对超出规范要求的吊杆逐一进行最终调整，使得达到设计要求，且保证吊杆力的均匀。完成此次的吊杆力调整工作。

5 过程中的监控措施

5.1 吊杆力的监控

吊杆力采用压力传感器及频率式吊杆力动测仪进行测量。压力传感器用于吊杆力张拉阶段对张拉吊杆的吊杆力测定，同时对吊杆力动测仪的动测系数进行标定。频率式吊杆力动测仪用于对各施工阶段已形成的吊杆进行吊杆力测定。

频率式吊杆力动测仪由加速度传感器、频率采集仪和便携式计算机组成。其原理是首先通过环境随机振动法测定斜拉吊杆的振动频率，然后按修正的振弦计算公式计算斜拉吊杆的拉力。

用环境随机振动法测定吊杆的振动频率。采用专用夹具将加速度计固定在吊杆上，以测定吊杆的横向振动。测量时不必对被测吊杆进行人为激振，加速度传感器将采集到的被测吊杆的随机振动信号转变成电信号经激励放大器放大后送到FFT信号分析仪中进行频谱分析，得到被测吊杆的横向振动频率，最后由嵌入式中央微处理器综合运算得到实吊杆力。

对于某一根确定的吊杆，式（2）右边的w、l、g都是已知的，如果能确定fn，并确定相应的n，便可求得吊杆

力T。

测试工况：每根吊杆每次调整到位后对两侧相邻3对吊杆进行测试。

5.2 主梁线性的监控

在每根吊杆所在处横截面的桥面上布设3个测点，分别位于桥梁中线及各距离中线2.5m处，在第一次张拉前对其进行测量，并在吊杆调整过程中实施即时监控。全桥13对吊杆，故共布设39个测点。

5.3 结构应力的监控

选取主梁最不利截面即跨中与中跨1/4截面处，共3个截面。应变计分别布设于此3个截面纵梁的上下缘及横梁的上下缘处。在吊杆调整过程中，及时对应力进行测量，保证横梁及纵梁的应力不发生突变，保证桥梁吊杆调整过程中的结构安全。

5.4 拱脚水平位移的监控

按本桥的结构特点，桥面发生扭曲时对刚性节点影响最大，而本桥刚性最大节点位于4个梁拱的拱脚部位，故在吊杆力调整施工过程中，在此4个部位设置位移计（或千分表）观测其水平向变化以控制施工。

6 结语

吊杆（索）施工完成后对全桥进行了静力荷载试验，通过测量桥梁结构在静力试验荷载作用下的变形和应力，确定桥梁结构在试验荷载作用下的实际受力状况满足设计及规范要求，并通过现场加载试验以及对试验观测数据和试验现象的综合分析，对桥梁结构做出了总体评价，为工程验收提供了技术依据。

作者简介：栗丰（1976—），男，河北秦皇岛人，秦皇岛市政建设集团有限公司工程师，研究方向：工程技术。

大跨度钢桁架桥梁结构的模态分析 篇3

随着我国冶钢技术和防腐技术的发展, 在桥梁设计中开始越来越多地采用钢结构桥。其中刚桁架桥以其架设灵活、结构稳定等特点成为桥梁选型的首选桥型之一。钢桁架桥以钢桁架形式建造, 一般是由钢铁材质焊接成的框架式结构, 施工周期短, 可以充分利用材料强度和三角形结构的优势, 布置灵活, 承载能力强, 耐久性好。虽然与连续梁、系杆拱、矮塔斜拉桥等钢结构桥相比, 成本略高, 因其刚度大、稳定性及抗震性能好成为很多情况首选桥型。而近几年来大跨度桥梁也飞速发展, 大跨度钢桁架桥因为跨越能力较强、造型美观、坚固耐用、有利于现瞻等特点, 在工程建设中被越来越多地使用。因此研究大跨度钢桁架桥的抗震性能具有重要意义。

1 模型建立

1.1 工程概况

某大跨度钢桁架桥, 全桥长96m, 桥面宽10m, 高为16m, 桥面板为0.45m厚的混凝土板。桥的端斜杆、上下弦、腹杆及横向连接杆均为工字型钢 (图1) 。

1.2 单元选择

梁单元用beam4来模拟。它是一个轴向拉压、扭转和弯曲的单元, 每个节点有6个自由度, 包括3个平动和3个转动自由度。本单元具有应力刚化和大变形功能。桥面板单元用shell63来模拟。

1.3 边界条件和加载

结构为简支桁架, 左端固定铰支, 右端活动铰支。

建立有限元模型。根据下表1, 建立实常数, 用ANSYS软件建立有限元模型, 该桥的有限元模型如图2所示。

2 模态分析

模态分析是动力学分析中很重要的基础分析, 是谐响应分析, 瞬态分析及反应谱分析等其他动力学分析的起点。模态分析一般用来确定结构的振动特性, 来计算结构的固有频率和主振型。这些参数即是结构承受动力荷载作用下的重要参数, 同时也是结构其他各类型动力学分析的基础, 而在模态分析中, 低阶振型对结构起控制作用, 文中采用大型通用有限元软件ANSYS, 采用子空间迭代法进行桥梁模态分析, 计算模态数量取前6阶, 计算结果见表2。在结构动力性能分析中, 通常情况下只有结构的前几阶自振频率和阵型起控制作用, 所以只需求结构的前几阶自振频率和振型见图3a~f。

由表2和图3a~f可以看出, 钢桁架桥体系的动力特性有以下几个特点:

刚桁架桥的第一阶振型以竖向对称弯曲为主, 自振频率为0.94053Hz, 自振周期为1.0632s。自振周期长, 固有频率低, 此振型在刚桁架桥的地震响应中占了很大的比例;刚桁架桥的反对称竖弯出现的比较早, 自振频率为1.3191Hz, 自振周期为0.7581s。此阶振型对钢桁架桥的竖向地震反应影响很大;该钢桁架桥的扭转振型最早出现在第五阶振型, 自振频率为2.7333Hz, 自振周期为0.3658s;该桥较早出现的振型是以竖桥向为主, 说明该刚桁架桥对竖向地震动作用较为敏感。

3 结语

通过采用ansys软件对此大跨度钢桁架桥梁进行模态分析, 得出其自振频率与振型, 经分析可知该大跨度钢桁架桥抗扭刚度较大, 对竖向地震作用比较敏感, 避免产生共振, 在使用时应尽力避免使其破坏。

参考文献

[1]李围.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社, 2007.

[2]姜丽梅, 江阿兰.基于ANSYS对钢桁架梁桥的静动力分析[S].低温建筑技术, 2012.

[3]王伟.铁路钢桁梁桥的详细有限元分析研究[D]成都:西南交通大学, 2004.

[4]李军.斜拉桥ANSYS结构动力特性分析[S].甘肃科技, 2011.

[5]占智贵.基于ANSYS对大型刚桁架桥的模态分析[S].低温建筑技术, 2011.

[6]刘月雨, 李自林.钢桁架桥梁的地震响应分析[S].天津城市建设学院学报, 2008.

大跨度拱桁架结构方案优化分析 篇4

关键词:张弦拱桁架;索;拉杆;预应力分析;屋盖结构选型

中图分类号:TU758文献标识码:A文章编号:1000-8136(2010)05-0061-02

1 工程概况

本工程为陕西省榆林市漠海丽江餐饮有限公司餐饮中心生态种植区的钢屋盖结构,屋盖结构主体采用钢管立体桁架结构,跨度60 m,柱距8.1 m,设计基准期为50年,设计使用年限为50年,建筑结构的安全等级为二级,结构重要性系数r0=1.0。根据GB50223—2008《建筑结构设防分类标准》和GB50011—2001《建筑抗震设计规范》的要求,本地区抗震设防烈度为6度(0.05 g),设计地震分组为第一组,地类别为Ⅲ类,特征周期Tg=0.45 s。根据GB50009—2001《建筑结构荷载规范》的要求,本地区基本风压:W0=0.4 kN/m2,基本雪压:S0=0.25 kN/m2,温度作用:±30℃。屋面恒荷载:上弦0.60 kN/m2(不含自重),屋面活载:0.5 kN/m2。

2 屋盖结构方案的制定

由于甲方要求结构外形简单、流畅,空间大,且该工程跨度大、体量大,因此选择合理的网架类型是保证结构方案安全经济合理的关键。为减少设计工程量,利用国内成熟管桁架设计软件3D3S8.0近似模拟网架的实际工作条件。考虑到建筑和传力方式的要求,选择了管桁架的结构形式,见图1。图1(Ⅰ)的结构在支座之间不拉索和杆,该结构具有强度高,重量轻等良好的力学性能,结构外形简单、流畅、空间大、施工难度低、节约材料等优点。图1(Ⅱ)的结构在支座之间拉6X37-φ47.5有机芯1700(公称抗拉强度)型钢丝索。该结构可以充分发挥柔性和刚性两类材料的受力特性,通过对索施加预应力来提高结构的刚度,给结构提供跨中弹性支撑来改变弯矩的分布方式达到降低弯矩峰值的目的,利用结构的自平衡特性减小支座间的水平推力。图1(Ⅲ)的结构在支座之间拉φ127×6.0的热轧无缝钢管,该结构结构刚度大、形状稳定性好,可以抵抗风吸力,同样也可以减小支座间的水平推力。

3 结构方案的比较分析

3.1 计算模型及其参数

已有的研究成果表明:拱桁架结构本身为平面结构体系。因此,文章选用一榀拱桁架为计算模型。

结构的跨度为60 m,矢高为7.5 m,横截面为倒三角形。根据结构设计要求,截面的选取见表1,材料为Q235B钢,弹性模量:E=2.06E11N/m2,屈服极限:σs=235E6N/m2,张弦拱桁架支座为一端刚接,一端铰支,文章采用ANSYS程序进行分析。拱桁架的上弦、下弦、腹杆和撑杆采用LINK8模拟,撑杆与下弦、拉索之间视为铰接,拉索方案的拉索采用LINK10模拟,而拉杆方案的拉杆采用BEAM188模拟。

3.2 单榀拱桁架的受力分析

3.2.1 静力分析

静力分析是结构的基本分析,在该分析中,着重考虑结构的工作状态,即考虑了结构的自重、恒载、活载、风载,将荷载以集中力的方式作用在上弦各个节点上,其值分别为1.082 kN、1.586 kN、15.902 kN、15.062 kN、16.406 kN。

(1)Ⅰ方案拱桁架支座为两端铰支,其最大位移出现在跨中,值为54.2 mm,下弦杆的内力最大,值为101 MPa。

(2)Ⅱ方案中,考虑了索的预应力,通过调整张弦桁架中索的初始应变的方式施加预应力,对结构初始形态预起拱,《钢结构设计规范》允许预起拱值为“1.0恒+0.5活”产生的变形,按此规定,几乎所有结构刚度不足工程均不需要对结构在荷载下产生的弹性位移进行控制,而通过结构的初始几何形态的预起拱实现结构正常使用的变形性能安全设计目标。但此时,结构的绝对位移值超过250 mm,如此大变形对屋面围护次结构、屋面防水连接构造的正常使用的安全性能将产生严重不利影响。参考大量的工程实例,预起拱值在自重作用下,以结构弹性位移约达到跨度的1/400L为基准试算求得。预应力取值为800MPa时,起拱值176mm,下弦杆的应力最大,值为82.0 MPa。将800 MPa的预应力作为初始预应力加到结构上,在正常使用状态下,其最大位移出现在跨中,值为68.9 mm,上弦杆的内力最大,值为234.6 MPa。

(3)Ⅲ方案中,将拉索换为拉杆,其最大位移出现在跨中,值为87.8 mm,下弦杆的内力最大,值为91.8 MPa。为了方案的优选,文章将3个方案的用钢量、结构最大反力、挠度、施工难易度等经济技术指标列表,其结果见表2。

3个结构方案的最大位移均出现在拱桁架的跨中,其最大位移也符合规范对挠度的控制标准。比较表2中3个方案的经济技术指标可以看出:Ⅰ方案的用钢量和支座反力最大,而这恰恰与甲方要求用钢量低、对下部结构负荷小的要求相违背;Ⅱ方案在索施加预应力的作用下,用钢量最省,如对索施加预应力来达到控制结构挠度的要求,则所施加的预应力较大,其索力约为670 kN,上弦杆的断面也相应的增大,而且,施工难度比较大;Ⅲ方案的用钢量和支座反力居于Ⅰ方案和Ⅱ方案之间,且施工也不难,挠度也满足规范的要求。

3.2.2 模态分析

结构的自振特性是结构动力的基本性质,也是动力分析的基础。对结构进行动力特性分析,取前8阶振型以保证参与质量达到90%以上,频率值见表3。

由表3可见,拉杆方案的基频远大于拉索方案的基频,则说明Ⅲ方案的面内刚度大于Ⅱ方案的面内刚度,抗震性能良好。

4 结论

通过对张弦桁架的受力分析,可得出如下结论:

(1)通过对管桁架支座间拉杆可以大大降低结构支座处的水平反力,节约钢材。

(2)管桁架支座间拉杆,能有效减小竖向挠度且施工难度小,在类似工程的研究作为参考。

Optimization Analysis on Steel Truss Structure for Long-span Arch Truss Structure

Wang Wei

Abstract: In this paper, taking Shanxi Province,Yulin City,Mo Hai River Restaurant Limited Catering Center for Eco-growing areas of the steel roof structure as the research object,according to Party A on the structure of space, the amount of steel and the substructure load a small request, first,carried out a preliminary design of the structure with the design process 3D3S8.0,set a bar between the non-cable and bar,cable and bar three programs,and then use analysis software ANSYS to study the static and dynamic characteristics of truss and calculated the reasonable value of prestressed cable.The calculation results show that: the amount of steelbar program,vertical deflections were small and the low degree of difficulty of construction,therefore,The project has adopted the bar program.

钢桁架结构 篇5

钢桁架整体节点利用焊接一改从前利用大量螺栓连接钢梁的做法, 使钢梁加工实现了工厂化, 现场拼装经济、简单, 节省了现场的作业空间, 使工地环境得到了改善, 因此这种钢梁结构和加工方法在桥梁施工领域广受好评。桥梁结构由许多个功能各异的节点构成, 大部分节点都是焊接在一起, 连接处有焊缝, 应力分布不均衡, 整体构造十分复杂。但是对于整体节点的处理, 目前桥梁制造领域尚无合理合法的技术规范可供参考, 为了验证桥梁连接节点的合理性, 有必要深入研究钢桥整体节点结构, 掌握其应力分布特点, 以期形成一套能够控制节点整体质量的有效方案。

1 工程概况

上莘大桥是长兴县经四路南延工程上跨长兴港的一座南北向半穿式连续钢桁架桥, 全长224m, 其跨径布置为 (62+100+62) m。桥面宽30 m, 横断面布置为2×0.25 m (栏杆) +2×1.75 m (人行道) +2×3 m (非机动车道) +2×2 m (隔离带) +2×8 m (机动车道) 。图1 为大桥的主体结构。上莘大桥采用Q345q D级钢材拼桥体结构, 用M24 高强螺栓连接各构件, 桥体设计荷载为城-A级, 人群荷载按3.5k N/m2进行计算。

主桁采用无竖杆的华伦式三角形腹杆体系, 并采用刚性较大的整体节点主椼、下平纵联、横撑及桥门架为杆系结构, 采用组合式节点板作为支撑平台。主桁中心距为18.08m。两片桁架相距较远, 因而整座桥体全部设置双X形下平联。横撑、桥门架、上平联一律按设计图安装在桁架中墩相应的部位上。为了抵御横向风力, 同时防止弦杆变形产生内应力, 下平联的节点部位应该连接下弦杆。

由于结构与载荷的对称性, 本文只针对该桥梁应力分布最为复杂的下弦杆X7、上弦杆S7 节点进行分析, 各杆件编号如图2。

2 空间有限元分析计算模型[1~4]

计算模型采用ANSYS对整体节点进行局部应力分析。图3、图4 分别为下弦杆X7、上弦杆S7 节点的计算模型的边界及载荷条件。根据圣维南原理, 有限元分析会影响支承点和载荷分布, 导致其局部应力不均衡, 为了规避这一影响因素, 保证整体节点局部分析的准确性, 整体节点两端分别取大于500mm的弦杆与整体节点进行综合分析。用拼接钢板将整体节点和弦杆焊接起来, 再借助高强螺栓与腹杆连接。由于高强螺栓以摩擦传力进行联结, 因而在分析计算时计算模型按刚接形式进行模拟, 利用Midas/Civil有限元软件对加载桁架进行整体受力分析, 并得出在最不利工况下各截面上的轴力和弯矩。为了提高有限元模型分析结果的准确性, 将集中力及集中力偶转化成所需的应力荷载, 使之作用于对应的面上, 以降低某些单元在集中力的影响下出现应力奇异现象。

为了能够真实反映整体节点的局部受力状态, 计算模型按照整体节点及各杆件的实际尺寸进行建立, 并包含整体节点连接的各个杆件、隔板和加劲肋等构件。考虑到板厚效应, 拟用三维实体单元和四面体实体单元solid45 来模拟分析该计算模型。另外, 为了尽快得到更精准的分析结果, 在辅助的弦杆、腹杆上单元设置较稀疏的网格, 在目标节点各部位设置较密集的网格, 借助Refine细化危险的位置, 最终能得到一个更精准的分析结果。考虑到所加载荷均为平衡力系, 本文下弦杆X7 节点取约束支承处的所有节点的平动自由度作为几何边界条件, 而上弦杆S7 腹杆节点自由端中心部位全截面加固结约束。划分网格并加载后的模型如图5~6 所示。

3 节点应力计算与结果分析

从计算结果可以看出, 圆弧处、厚薄对接以及构件对接的位置存在局部应力集中的现象, 如应力集中点在节点两侧圆弧部位;其次在弦杆与下平板、内侧隔板和加劲肋与弦杆竖板等几个厚薄对接位置;腹杆与弦杆对接等位置均为应力集中点, 节点构造设计时需多加注意。下面对上述的应力集中点位置进行相应地分析。

3.1 节点两侧圆弧部位应力分析

根据分析结果得知, 圆弧处应力集中现象最严重, X7节点最大Von Mises等价应力为114MPa (如图7) , S7 节点最大Von Mises等价应力为94.2MPa (如图8) 。计算值偏大的原因可能是距离圆弧较近的贴角焊缝也存在应力集中的问题, 如果不及时补救, 就可能发展成微观裂缝, 高强钢材极易出现这一现象。为了结构稳定, 必须采取措施治理应力集中的问题。一般来讲, 我们主要通过有限元模型计算所得的最大轴向应力值 σxmax和弦杆设计应力值 σx0的比值 α 来判断是否存在应力集中的现象。关于单面突出的节点板的圆弧处应力集中现象, 西田正孝[5]等学者已通过光弹分析得到了准确的应力集中系数。如图9 所示, 利用光弹试验对两面突出部的板的盈利集中现象进行分析, 给该板施加拉应力, 得到图10 (a) 和 (b) 所示的该节点板在承受拉应力时所产生的应力集中系数kP及弯矩作用下的应力集中系数kM。如果是局部突出部的板, 施加拉应力, 所得到的应力集中系数则小于图10 所示的应力集中系数, 此时可从图11 查出其折减系数k。

于是, 节点圆弧段的最大应力值σmax可近似地按下式求出:

在上式中, P为作用于弦杆端部的轴向力, M为用于弦杆端部的弯矩。如果是桁架桥的二次应力较小, 第2 项就可忽略不计。

在结构模型计算过程中, 节点板应力集中的问题始终存在, 应该适当增加节点处弦杆的板厚, 同时在板的两个侧边分别设一坡口焊缝焊接起来, 或者在节点处设置弦杆工地接缝, 另一边设坡口焊缝, 这样也能调整节点板的厚度。通过焊接连接在一起的节点结构, 通常采用图12 中示出的三种方式。图12 (a) 是弦杆应力比较小、节点板材质强度比弦杆高、板厚也比弦杆大时所采用的二分法, 图12 (b) 及 (c) 是弦杆应力比较大, 节点板板厚及材质都不如弦杆时所采用的方法。但对图12 (b) 来说, 弦杆和节点板的结合部、特别是圆弧部应力集中的地方, 和焊缝收剧烈高温的热影响区想重合, 这是它的缺点。所以图12 (c) 是理想的连接方式。从分析结果来看, 假设翼缘到焊接部的距离为h, 令h≥250mm, 就能有效规避焊接热影响区与应力集中部重合的问题。公路桥梁规范规定:当受压弦杆的腹板和节点板采用整体连接构造时, 圆弧的半径rj不得小于腹板高度的1/5。危险点放大后应力分布云图如7 所示。

3.2 内侧节点板应力分析

由于在内侧节点板上焊接有平联节点板和横梁连接板, 以及节点板与腹杆连接处, 其应力分布十分复杂, 而且应力集中现象较严重的部位在平联节点板两端, 因此可能对整体节点的连接质量和稳定性造成威胁。根据图13 所示的内侧节点板应力分布情况不难看出, 内侧节点板下方是危险位置。除此以外, 横梁与内侧节点板连接处、节点板与腹杆连接处都存在不同程度的应力集中现象, 其最大Von Mises应力为151.0MPa。

该节点板剪应力分布自下而上逐渐增MX大, 而水平分布看上去像一个抛物线, 而且圆弧处的应力分布是反向的。图14 为剪应力分布情况。

Carter, Mc Calley, Wyly, Whitmore根据实验研究得出了关于节点板应力分布的结论:相当大的应力集中乃发生在腹杆端部的节点板截面内。根据图15可以看出, 这一部位的应力分布不均匀, 应力集中系数σmax/σ0≥2。由此, 我们可以自节点板斜边和腹板边的夹角∠ACD作分角线, 交断面AA于两E点 (如图16所示) , 将EE视为有效宽, 并设在此有效宽范围内应力均匀分布, 就能通过计算得到腹杆连接锚拴群的顶端DD处的最大应力值 σmax=P/Bet。

这种应力集中现象一般会导致屈服现象提前发生, 或者造成疲劳破坏、脆性破坏等不良后果。局部屈服对承载力的影响程度基本可以忽略不计。但是如果焊缝处出现应力集中, 就有可能导致脆性破坏。为避免出现不良后果, 在结构设计上, 应该让这个应力区远离焊缝。另外, 应力集中所引起的疲劳破坏对整体借点来说十分不利, 应该尽力避免这个问题。

3.3 等宽不等厚对接部位的应力分析

在薄板与厚板对接部位都存在应力集中现象, 由于篇幅原因, 在此仅给出构造复杂、应力分布不规则的上 (下) 平板与隔板的应力分布图。如图17~18 所示, X7 节点其最大Von Mises应力为151.0 MPa, S7 节点其最大Von Mises应力为84.5MPa。

4 结论

本章通过对上莘大桥对整体节点的局部应力分析, 初步掌握了整体节点的应力分布规律, 验证了结构设计的可靠性, 主要结论如下:

①节点集中各种构造, 受力较为复杂。内侧节点板由于焊接有平联节点板和横梁连接板以及腹杆, 其应力分布较外侧节点板要复杂得多;平联节点板两端、对接焊缝、节点板两端圆弧过渡段及等宽不等厚对接部位是应力集中的主要部位, 设计、制造、使用过程中需要重点注意。

②在平联节点板两端采用圆弧过渡、焊后沿圆弧受力方向打磨匀顺并采用捶击可以有效降低该部位的应力集中, 可以提高其疲劳性能, 该部位从应力分布图可以看出有局部应力集中现象, 应予以重视。

③在节点板两端圆弧过渡处, 选择合适的圆弧半径并于焊后沿受力方向打磨, 可以减小其应力集中现象。

④不等厚对接焊缝处采用1:10 斜坡过渡, 焊后磨光, 接头能够有效降低接头处应力集中系数。

⑤节点板剪应力分布规律是:自下而上逐步增大, 剪应力较大的部位是节点板纵向对称线的上部附近。

综上所述, 整体节点结构受力较为复杂, 能够合理的处理构造细节, 并采用先进的焊接与制造工艺, 可以有效的提高其结构性能。

摘要：近几十年来, 随着钢桁架桥跨度的增大以及焊接技术的成熟, 整体节点开始在钢桁架桥中广泛应用。随着钢桁架桥的普及, 这类桥梁的整体节点分析逐渐成为了设计人员关心重视的问题。本文以上莘大桥为工程背景, 基于ANSYS有限元软件对该桥的整体节点应力进行了分析, 得出了在最不利工况下整体节点应力分布云图, 从而证明了整体节点构造设计的合理性, 并对整体节点性能给出总的评价。分析结果为今后钢桁架桥的研究与合理设计提供了相关的参考数据。

关键词：钢桁架桥,整体节点,有限元法,应力分析

参考文献

[1]李慧乐.一种铁路新型钢—混凝土组合桁架桥的动力性能研究[D].北京交通大学, 2011.

[2]穆健.高强螺栓连接节点疲劳破坏试验研究[D].重庆交通大学, 2010.

[3]黄永辉, 王荣辉, 甘泉.钢桁梁桥整体节点焊接残余应力试验[J].中国公路学报, 2011 (01) .

[4]王荣辉, 蔡禄荣, 黄永辉, 陈孔亮.双层公路特大桥的模态参数识别及成桥模型分析[J].华南理工大学学报 (自然科学版) , 2011 (06) .

钢桁架结构 篇6

空冷凝汽器支架结构是一类特殊的、新型工业建筑。其特点是:质量和刚度分布极不均匀,是下柔上刚的“高脚鸡腿”式结构。[1]传统结构钢桁架平台的竖向刚度较小、水平刚度小,在结构及设备自重等竖向荷载和在水平荷载作用下会出现钢桁架悬挑端的竖向挠度过大、水平侧移过大等问题。且上部钢桁架平台与下部钢筋混凝土管柱仅通过柱顶节点相连,由于受到的约束作用有限,在地震作用下管柱的裂缝开展范围广[2]。结构上部与下部的整体性较差。同时,该处是结构受力的关键部位,与该节点相连的杆件截面内力大,在水平地震作用下,易发生破坏。

2空冷支架结构研究现状

目前国内主要采用钢桁架+钢筋混凝土管柱的空冷结构体系,但已有研究表明,若在高烈度区、百万千瓦机组采用该种结构体系将存在结构竖向挠度与水平位移超限等诸多问题,严重阻碍我国空冷技术的推广应用。[3]目前我国现有的空冷凝汽器支架结构从平面布置上看主要有单跨和多跨两种形式,跨度一般在20~24m;有悬挑和不悬挑两种情况,悬挑长度有10~12m。从竖向来看,承重柱子采用大尺寸薄壁钢筋混凝土管柱,在柱顶为两个方向直交的钢桁架构成的钢平台,钢桁架上为三角形钢架,主要设备重量放置在A型架上。[4]

3分析模型(图1)

本文空冷平台的上部钢平台为空间管桁架结构,上下弦采用型钢,腹杆为圆钢管。桁架设计时,为使A型架的荷载作用在桁架节点上,并保持腹杆有适宜的角度和便于节点构造处理,顺A型架方向的桁架腹杆采用再分式腹杆。

分析采用有限元软件ANSYS,上部的钢管桁架,可采用杆单元来进行模拟,下部的钢筋混凝土柱采用梁单元进行模拟,本文主要考虑在竖向载荷、水平载荷以及地震作用下整体结构的水平位移与竖向变形,故上部的钢管桁架采用三维杆单元link180,下部的钢筋混凝土柱采用三维梁单元beam188进行分析。根据实际工程要求,集中荷载施加于模型空间桁架的节点上,均布荷载作用于构件上。弹性模量取E=2.0×1011Pa,泊松比采用0.3。

3.1柱子截面尺寸。柱子采用钢筋混凝土管柱,总高度为46.0m。钢筋混凝土管柱截面尺寸为4.5m X0.45m。

3.2空间钢桁架平台。空间钢桁架中的构件尺寸参考600MW陕西国华锦界空冷凝汽器支架结构平台中的构件尺寸。X向轴间距11.31m,Z向上下平台间距9.0m,Y向轴间距11.6m。

4对比分析

4.1恒载荷作用下。全部结构构件的恒荷载主要有空冷凝器支架结构钢桁架自重、大直径钢筋混凝土管柱自重等组成。结构构件自重由程序按杆件截面面积和长度自行计算,考虑到施工细节将钢材密度乘以1.05的系数。支架上部恒载主要包括挡风墙自重、走道板自重、隔墙自重、风扇及防护网自重、风机桥架自重、主输送管自重、A型架荷载等。根据实际工程要求,集中荷载施加于模型空间桁架的节点上,均布荷载作用于构件上。总施加均布恒载荷为70138.3k N。

原结构体系恒载荷作用下位移变形图:(边角位移0.018732m)

加斜撑结构恒载荷作用下位移变形图:(边角位移0.011205m)

计算结果:恒载作用下两种模型结构的最大竖向变形发生在悬臂边缘处,并未发生在跨中。最大变形值分别为18.732mm、11.205mm;由计算结果可知,空冷凝汽器支架结构在竖向载荷作用下的竖向位移主要集中在悬臂边缘处,添加斜撑能较好的降低竖向位移。

4.2风载荷作用。挡风墙高度较大(14m),在水平风力作用下对结构会有一定影响。通过近似简化计算后,将风荷载简化为水平静力作用在主体结构上。风压为0.39k N/m2,是按照距地面高度10m,10分钟内,50年一遇条件给定的。地面粗糙度类别:B类。风荷载标准值:Wk=BZUSUz W0式中Bz=1.78。体型系数:风墙(迎风面):1.59风机:1.6风墙(背风面):0.04构件:1.3。结构体系所需加载的水平风载荷为9816.7KN。

原结构体系风载荷作用下位移变形图:X向最大位移0.009918m

加斜撑结构体系风载荷作用下位移变形图:X向最大位移0.006951m

计算结果:X向风荷载用下三种模型结构最大水平位移分别为9.918mm、6.951mm,由计算结果可知,空冷凝汽器支架结构空间钢桁架的刚度大,结构在向风荷载作用下,其水平位移主要由混凝土管柱的弯曲变形组成。

5结论

本文研究了传统空冷支架结构体系与增加斜撑后的空冷结构的受力性能差异,得到如下主要结论:

5.1空冷凝汽器支架结构属于典型的竖向刚度和质量分布严重不均匀的结构。一般结构刚度都是上小下大,该结构恰恰相反;该结构质量主要集中在上部这和常规结构相反。结构是竖向混合结构,柱顶节点连接部位是结构薄弱部位;结构承担的设备重量大,且主要放置在结构顶部的A型架上。

5.2在竖向荷载作用下空冷凝汽器支架结构最大竖向变形均发生在走道的悬臂边缘处。

5.3空冷凝汽器支架结构中空间钢桁架的刚度大,结构在水向风荷载作用下,其水平位移主要由混凝土管柱的弯曲变形组成。

5.4有斜撑有横杆的空冷凝汽器支架结构对抗侧向载荷力产生位移的能力最强;对空冷凝汽器支架结构添加斜撑就能极大的降低悬挑桁架的竖向位移。

参考文献

[1]赵春莲,李红星,唐六九等.高烈度区1000MW直接空冷机组空冷凝汽器支架及排汽管道支撑结构体系研究[J].现代电力,2011,28(6):64-67.

[2]白国良,康灵果,李红星等.大型火力发电厂SRC框架柱-RC分散剪力墙主厂房混合结构体系抗震性能试验研究[J].土木工程学报,2011(9):20-26.

[3]马新法,宋波.空冷支架结构体系数值风洞模拟研究[J].四川建材,2012,38(3):26-27.

钢桁架结构 篇7

目前, 结构设计还是沿用传统的结构设计方法, 设计者根据设计要求和实践经验, 参考类似的工程设计, 通过判断去创造设计方案;然后进行强度、刚度、稳定性等方面的计算。设计者有条件时总是还要研究几个可能的方案来进行比较, 以便得到更为合理的方案。普通 (传统) 的结构设计有两方面的缺点:一是工作繁复、效率低;二是由于时间和设计者经验的限制, 确定的最终方案往往不是理想的最优方案, 而仅为可行方案。

与传统结构设计中所有参与计算的量必须是常量不同。结构优化设计是所有参与计算的量部分以变量出现, 在满足规范和规定的前提下, 形成全部可能的结构设计方案域。利用数学手段, 按设计者预定的设计要求, 从域中选出一个不但可行且最好的方案, 称为优化设计。优化设计所得的设计方案, 不仅是传统设计中的可行的设计方案, 而且是众多可行方案中最优的设计方案。实践证明, 结构最优设计能缩短设计周期、节省人力、提高设计质量和水平, 最终取得显著的经济效益和社会效益。

21世纪初, 人们受到社会系统和生物系统等机制的启发, 开始了对群体智能算法的研究, 其基本思想就是模拟自然界中生物的群体行为来构造随机优化算法。典型的群体智能算法有蚁群算法 (Ant Colony Algorithm) 和粒子群算法 (Particle Swarm Optimization, PSO) 。

本文将采用粒子群算法对钢桁架结构进行优化设计方面的探讨分析。

2 PSO优化算法基本原理

PSO在算法最早源于对鸟群觅食行为的研究。在生物群体中存在着个体与个体、个体与群体间的相互作用、相互影响的行为, 这种行为体现的是一种存在于生物群体中的信息共享的机制。PSO算法就是对这种社会行为的模拟, 即利用信息共享机制, 使得个体间可以相互借鉴经验, 从而促进整个群体的发展。

在PSO算法中每个粒子可以看作是解空间中的一个点。如果粒子的群体规模为N, 则第i (i=1, 2, …N) 个粒子的位置可表示为Ai, 它所经历过的“最好”位置记为p Best[i], 它的速度用Vi表示, 群体中“最好”粒子的位置的索引号用g表示。粒子i在第k+1次搜索时的飞行速度和拟达到位置坐标公式如下:

其中c1、c2为常数, 称为学习因子;rand1和Rand2是[0, 1]上的随机数。公式由三部分组成, 第一部分是粒子先前的速度, 说明了粒子目前的状态;第二部分是认知部分 (Cognition Modal) , 表示粒子本身的思考;第三部分为社会部分 (Social Modal) 。三个部分共同决定了粒子的空间搜索能力。第一部分起到了平衡全局和局部搜索的能力。第二部分使粒子有了足够强的全局搜索能力, 避免局部极小。第三部分体现了粒子间的信息共享。在这三部的共同作用下粒子才能有效的到达最好位置

作者用MATLAB语言编制了参数化粒子群算法优化设计程序用于接下来的优化设计分析。

3 PSO优化算法设计算例

25杆输电塔空间桁架结构尺寸、结构坐标系、节点编号和杆件编号如图1所示。拉压容许应力, 弹性模量, 材料质量密度, 最小截面积。结构荷载工况及位移约束见表1。杆件截面优化结果见表2, 结构重量收敛曲线见图2。

4 结论

通过对典型的25杆空间桁架进行了优化, 结果表明其优化效果比其他优化算法要好, 能够找到最优解。说明此方法不仅可以用于钢桁架结构的优化而且优化效果很好, 为此类结构乃至更复杂的大跨度空间钢结构优化设计提供了参考。

参考文献

[1]R.J.Allwood, Y.S.Chung, Minimum-weight design of trusses by anoptimality criteria method, Int.J.Numer.Methods Engrg.20 (1984) 697-713.

[2]C.Fleury, M.Geradin, Optimality criteria and mathematical pro-gramming in structural weight optimization, Comput.Struct.8 (1978) 7-17.

钢桁架结构 篇8

国内外对交错桁架体系的建筑功能、经济性能、传力路径、设计和安装等方面都作了许多研究, 这些研究成果对交错桁架体系的推广应用起到了重要作用。但对于钢结构建筑, 受火灾高温的影响, 钢材强度和刚度等力学特性会迅速降低, 整体结构承载能力下降, 可能发生结构整体坍塌, 从而对人类的生命财产安全构成极大威胁。因此, 作为结构整体安全的重要环节, 交错桁架体系抗火性能的研究应得到重视, 这将对钢交错桁架体系的推广应用起到重要的保障作用。目前, 国内已有学者在钢结构交错桁架抗火方面开展了相关工作, 并对其在火灾作用下的力学特性及抗火设计进行了分析。由于交错桁架具有独特的结构体系与传力特性, 对于火灾作用下该体系破坏模式的研究尚未见诸文献。要全面认识钢结构交错桁架的抗火行为, 有必要结合该结构体系的特点, 对其在火灾作用下的破坏模式开展详细的研究, 为进一步研究钢结构交错桁架抗火性能提供技术参考。

笔者对钢结构交错桁架在实际火灾场景下的受火模式、桁架构件及整体的破坏形式进行了调研, 为钢结构交错桁架结构体系的结构优化及防火设计提供理论依据, 以推进钢结构交错桁架体系整体安全性能的研究。

1 交错桁架结构体系特点

如图1所示, 交错桁架体系由布置在房屋外侧的柱子 (中间无柱) 和跨度等于房屋宽度、高度等于层高的桁架共同组成, 桁架跳层交错布置在外柱上, 楼板一端置于桁架的上弦, 另一端置于相邻桁架下弦;在顶层无桁架处采用立柱支撑屋面板, 底层若设置大空间, 可在第二层设置吊杆代替底层桁架。桁架是由直杆组成的, 一般具有三角形单元的平面或空间结构。桁架主要由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组成, 如图2所示。按桁架形式不同, 交错桁架体系可分为空腹交错桁架体系、Pratt型交错桁架体系和混合型交错桁架体系。根据桁架体系的特点及具体工程需要, 实际工程多采用混合桁架形式。

高层交错桁架结构体系同时承受竖向荷载及水平荷载, 即重力荷载和侧向荷载。在水平荷载的作用下产生的剪力通过楼板的横隔作用, 从一榀桁架的下弦杆传至邻榀桁架的上弦杆, 上弦杆通过腹杆传至下弦杆, 周而复始, 逐层传递, 最后传给基础。重力荷载通过楼板传递到弦杆或柱, 弦杆上的力通过桁架传递至柱, 然后传递至基础。根据交错桁架结构体系的传力特性可知, 在侧向荷载或重力荷载的作用下, 荷载逐层传递, 结构由稳定结构变成机动结构所需形成塑性铰的数量多, 塑性发展过程长, 能量耗散多。故有效提高了结构体系的抗侧能力。

2 交错桁架受火模式分析

火灾作用下交错桁架结构体系的力学响应与诸多方面的因素有关, 如火源位置、受火构件的分布、受火构件的受火方式等。发生火灾时, 并不是所有构件均受到高温作用影响, 且受火构件的受火方式 (三面受火还是单面受火等) 并不完全相同, 与其在建筑中的位置及建筑的防火分隔等有直接关系。因此, 在研究钢结构交错桁架体系抗火性能之前, 有必要对该体系可能的受火模式进行深入分析和详细分类。

当火灾发生时, 根据火源位置的不同, 单榀钢结构交错桁架有两种典型的受火模式, 一种为桁架层 (设置有平面桁架的楼层) 受火, 一种为敞开层 (未设置平面桁架的楼层) 受火, 如图3所示。

2.1 桁架层受火 (Afire模式)

Afire模式是指火灾发生在设置有桁架的桁架层, 火源靠近某榀桁架。此时楼板、桁架上弦杆、斜腹杆及竖腹杆均受到火灾高温作用影响, 其中楼板单面受火, 上弦杆除与上层楼板相邻处未直接受火外, 其他各面均受到火灾的高温作用, 上弦杆三面受火, 斜腹杆与竖腹杆四面受火。下弦杆受到本层楼板保护未直接受火。由于外柱一般均有较厚的混凝土等保护, 为单面受火或不受火。

2.2 敞开层受火 (Bfire模式)

Bfire模式是指火灾发生在没有设置桁架的敞开层, 火源处于上层桁架的下方楼层, 此时该榀桁架的上弦杆、斜腹杆与竖腹杆均未直接受火, 楼板单面受火, 处于楼板下方的下弦杆除与楼板相邻面未直接受火外, 其他各面均直接受到火灾的高温作用, 下弦杆三面受火。由于外柱一般均有较厚的混凝土等保护, 其受火模式为单面受火或不受火。

综上所述, 钢交错桁架结构体系受火模式分类及构件受火情况如表1所示。

3 火灾下交错桁架结构破坏模式分析

钢交错桁架结构体系由桁架与楼板组成。研究钢交错桁架结构体系的破坏模式可从桁架构件破坏、楼板破坏和桁架整体破坏三方面来进行分析。

3.1 桁架构件破坏

桁架的基本组成构件包括上弦杆、下弦杆及腹杆, 各构件的连接节点如图4所示。

桁架为钢质材料, 在火灾高温环境及外力作用下, 温度升高, 钢材受热膨胀产生热应力, 引起构件内力重分布;温度继续升高, 钢材软化, 导致构件失稳、挠度过大, 强度、刚度迅速降低;当温度达到600℃时, 钢材基本丧失全部的强度和刚度。因此, 火灾作用下桁架及构件的行为响应极为复杂, 结合Afire模式和Bfire模式对各构件可能发生的破坏特征进行分析。

(1) 上弦杆受火。在Afire模式下, 上弦杆三面受火。该模式下, 楼板置于上弦杆上方, 上弦杆背火面受楼板保护, 使其三面受火。在火灾作用下, 上弦杆受火后, 受热膨胀, 对周围构件产生膨胀推力, 推挤周围约束构件;随着温度的继续上升, 钢材的强度极限、弹性模量降低, 其强度、刚度随之下降, 容易产生向下的弯曲变形;当温度继续升高时, 上弦杆软化而失去承载能力。

在正常情况下, 上弦杆受压, 杆件内力表现为轴向压力。受火后, 由于杆件的热膨胀作用, 轴向内力有所增加, 随着温度升高, 杆件发生软化, 轴向内力逐渐减少直至消失。

(2) 腹杆受火。在Afire模式下, 竖腹杆与斜腹杆各面均暴露于火灾高温下, 属于四面受火。腹杆长度较短, 截面面积较小, 周长与截面面积比值较大, 相对于柱与弦杆温升较快, 在采用相同的防火涂层的情况下, 腹杆先发生破坏的可能性较大。

在正常情况下, 腹杆受到轴向力的作用, 内力可能为拉力, 也可能为压力。腹杆受火后, 温度迅速升高, 杆件受热膨胀;温度继续升高, 钢材的刚度、强度下降, 发生软化。开始阶段, 随着温度升高, 腹杆内力受热膨胀作用影响会发生一定程度的变化;温度升高, 钢材刚度、强度不断下降, 腹杆软化破损, 腹杆失效。

火灾高温作用下, 桁架受力、弯矩与常温下差别较大;此外, 受火灾高温的影响, 腹杆极有可能先发生破坏, 桁架某腹杆破坏, 等价于撤掉该腹杆构件。通过数值模拟分析得到, 桁架在正常情况下、火灾高温和某腹杆破坏情况下的弯矩及轴力变化情况, 如图5和图6所示。由模拟结果可得, 火灾高温或某腹杆破坏致使桁架弯矩、轴力产生较大变化, 进而可能导致桁架整体耐火极限及耐火能力下降。因此, 对腹杆的防火保护应予以重视, 应在进行结构防火设计时尽量提高其耐火极限, 在施工及日常使用中尽量避免其防火保护层受到破坏。

(3) 下弦杆受火。在Afire模式下, 下弦杆不受火。在Bfire模式下, 处于楼板下方的下弦杆除与楼板相邻面未直接受火外, 其他各面均直接受到火灾的高温作用, 属于三面受火。在Bfire模式下, 下弦杆处于下层受火房间顶部, 位于火源上方, 直接受到火源的高温作用, 热学响应明显, 发生破坏的可能性较大;上弦杆、腹杆尚未直接受火, 受火灾高温作用影响较小, 温度变化不大, 力学性能变化较小, 发生破坏的可能性相对较小。

受火灾高温影响, 下弦杆温度升高, 向两端膨胀;温度继续升高, 钢材的刚度、强度迅速下降, 构件软化。在正常情况下, 下弦杆内力表现为轴向拉力, 受热膨胀作用影响, 弦杆伸长, 杆件内力有所减少;随着温度升高, 钢材刚度、强度逐渐下降, 下弦杆软化。下弦杆在失去抗弯能力后, 通过轴力和很大的挠度形成的力矩来抵抗弯矩, 即通常所说的悬链线效应, 仍有一定的抗火承载力。

下弦杆失效后, 整个桁架失去承载力作用, 发生破坏, 甚至可能造成桁架整体塌落。

(4) 节点受火。节点的种类包括铰支连接、刚性连接、半刚性连接等。高温引起材料性能衰退, 钢材力学和物理性能参数随温度升高而下降, 使得节点处的极限承载力随温度的升高而呈现降低趋势。由于节点的复杂性, 目前对于火灾高温下节点的破坏机理尚不完善。

3.2 楼板破坏

楼板有多种形式, 如现浇钢筋混凝土楼板、预制楼板以及压型钢板组合楼板等。压型钢板组合楼板与桁架构件相对位置, 如图7所示。

楼板将竖向空间分为数层, 并发挥承载功能。在交错桁架结构体系中, 楼板同时承受水平荷载及竖向荷载。在火灾高温作用下, 交错桁架楼板破坏性较大, 其破坏形式及特征与普通楼板有所不同。

(1) 热膨胀作用。在火灾作用下, 环境温度升高, 楼板受热向四周膨胀, 对周围的约束构件 (弦杆、腹杆等) 产生膨胀推力, 相应地楼板受到周围约束构件的挤压力作用, 限制楼板发生膨胀。

(2) 纵向荷载。在火灾作用下, 环境温度升高, 楼板受热后材料强度、弹性模量会迅速降低, 在纵向荷载及自身重力作用下, 楼板极有可能产生裂缝, 甚至局部坍塌。

(3) 侧向荷载。在火灾作用下, 环境温度升高, 楼板受热后材料强度极限、弹性模量会迅速降低, 楼板受火区域在侧向力的作用下容易产生裂纹, 致使楼板失去传递侧向力的功能。

在火灾作用下, 桁架楼板受热后材料强度极限、弹性模量会迅速降低, 同时受到热膨胀、纵向荷载、侧向荷载的作用, 容易发生破坏, 产生裂缝。裂缝的出现致使楼板刚度降低, 使楼板的弯曲变形更加剧烈, 同时使楼板失去侧向力传递的功能。楼板的承载力下降, 在竖向荷载作用下甚至可能发生灾难性的瞬间坍塌。高温作用下, 压型钢板组合楼板的钢板能够提供的强度很小, 如果混凝土过薄, 高温下混凝土可能出现爆裂而完全失去强度。

3.3 桁架整体破坏分析

桁架个别构件失效后, 引起桁架整体破坏最严重的是下弦杆, 其次为上弦杆、楼板、腹杆。总体来讲, 发生火灾后桁架的楼板、腹杆温升较快, 其次为弦杆。

(1) 个别腹杆破坏改变桁架构件的力学特征, 一般不会引起桁架整体破坏, 而弦杆破坏则使整个桁架完全失去承载和传力作用。

(2) 楼板裂缝的出现使楼板刚度降低, 变形加剧, 同时楼板侧向力传递功能失效, 承载力下降, 极有可能导致桁架局部甚至整体坍塌。

(3) 桁架连续破坏。对于高层建筑来说, 当某层桁架失效后, 上层荷载塌落至下层桁架, 由于冲击荷载的影响, 可能会导致桁架逐层连续垮塌, 桁架整体破坏。

4 结语

结合钢交错桁架结构体系的特点, 根据火源位置的不同分析总结了单榀钢结构交错桁架两种典型的受火模式, 并对这两种受火模式下的钢交错桁架结构体系中各构件的受火方式进行了分析。

钢桁架结构 篇9

【关键词】ANSYS软件；空间桁架结构；拓扑优化；设计方案

0.引言

在当今社会，目前的建筑技术的空间桁架结构总体都是采用拓扑和增减尺寸的优化手段。本文主要论述的是拓扑优化的设计方法。拓扑优化就是形状的优化，包括离散体的优化和连续体的优化两种形式，而离散体的优化在实际过程中得到更广泛的运用。以下本文就以连续体的拓扑优化方式，通过采用ANSYS软件来对空间桁架结构的设计进行优化处理。

1.分析空间桁架结构拓扑优化设计的意义

作为大跨度建筑结构设计中常见结构形式的空间桁架结构，其有着质量轻、施工方便的特点，在文化宫、会议大楼、游乐场等大跨度的建筑结构中有被广泛的运用，因而提高空间桁架结构的设计水平、优化设计方案对建筑的稳定性和安全性都有着十分重要的意义，设计者必须加以重视。ANSYS软件是在对空间桁结构的设计进行优化的常用软件之一，通过其强大的计算能力来达到设计最优化的目的。在确保建筑结构合理安全的基础上，尽可能的减少材料的使用损耗，减少工程成本，尽量达到最经济合理的设计方案，达到我们所说的设计最优化。设计最优化在实现节能社会，落实科学发展观中有着至关重要的作用。在现代建筑的空间桁架结构中，主要是通过相关测量和调查，以掌握每个杆件之间的距离大小，然后再使用通过拓扑优化的方法来确认是否有杆件的存在。而对于连续体的方法来讲，现有的技术水平已经能够通过一定的软件技术来分析边界等基础信息，以得出最优的设计方案，这种技术的发展对于空间桁架结构的初期设计有着重大的意义。

2.建立空间桁架结构拓扑优化设计模型

ANSYS拓扑优化功能在经过一系列复杂的运算后可以求得最优结构，以便获得设计者需要的工程材料的最大、最小值。其原理是在满足结构需求的情况下，无限放大自身刚度，达到工程计算的最小误差值，同时优化自身的设计变量，实现单元密度的常态化。单元伪密度为0的材料为可以删除的部分，单元伪密度为1的材料为保留的部分。

ANSYS拓扑优化功能，模型中只能有下列单元类型：二维平面单元PLANE2和PLANE82，用于平面应力或轴对称问题；三维块单元SOUD92和SOLID95；壳单元SHELL93。

而在本文研究中的空间桁架结构总体尺寸较大，为5.8m×5.8m×25m，且作用力都集中在结构的外表面。若采用三维实体单元，尽管建模简单，但计算量大且对机器配置要求高，故采用壳单元SHELL93。

ANSYS程序只对单元类型编号等于1的单元网格进行拓扑优化，对于单元类型编号等于或大于2的单元网格部分不进行拓扑优化。所以，在划分模型网格时，必须确保拓扑优化的区域的单元类型编号为l。

优化模型根据与其连接部分结构尺寸条件建立，臂架结构顶部采用板结构焊接形式，本文将确定其为非优化区域，板厚为20mm，优化区域是由3个面组成的空间三维连续体结构，板厚为30mm。结构顶部前端垂直载荷40t，结构仰角：8l度。

3.空间桁架结构的拓扑优化及其优化结果

在建立了相应的优化模型之后，我们对臂架底部铰接的空间桁架结构设计方案，通过线性结构静力分析的手段对其开展了拓扑优化。现将拓扑优化的具体过程以及结果分析分别描述如下，以供参考。

3.1空间桁架结构的拓扑优化过程

ANSYS程序提供了1个专门用于预定义总体积的拓扑函数，即VOLUME，它既可作为目标函数，也可以用于约束条件。本文定义目标函数为MCOMP，VOLUME减少60%为约束条件，定义目标函数和约束条件的命令流如下：

…

TOCOMP，MCOMP，MULTIPLE，4

定义多柔度作为拓扑优化函数MCOMP

TOVAR，MCOMP，OBJ

定义柔度函数MCOMP作为拓扑优化目标

TOVAR，VOLUME，CON，60

总体积VOLUME减少60%

TODEF，0，0.00l

收敛容差为0.0001

TOPITER，20，l

最多执行20次迭代

…

ANSYS程序提供了优化准则法和连续凸函数寻优法两种拓扑优化的方法，优化准则法相比于连续凸函数寻优法仅仅只适用于运算体积相对较小的问题，而连续凸函数寻优法则适用于函数方法的组合解答。由于本文体积数值较小，所以选择优化准则法。

3.2空间桁架结构的拓扑优化结果

ANSYS程序提供了一个专门的拓扑函数VOLUME，它不仅可以作为目标函数，同时也可以作为约束条件。在通过使用ANSYS然间对目标进行拓扑优化中，我们必须对其进行多次的计算，在通过数据的分析比较后我们发现以下几点结论：

首先，在数据中我们发现，空间结构桁架的钢板厚度对拓扑优化法的实施不会造成影响，因此钢板厚度不再结构设计的考虑范围之类。

其次，设计中在利用ANSYS对结构进行拓扑优化的时候，不能兼顾到一些结构中的具体细节例如：杠杆的长度、粗细等等因此在其他的优化设计中要照顾到结构的美观、构件的制造工艺等等多方面的因素，同时我们可以调节一些优化后的结果，让构件的变动更能够满足需求。以期达到理想的目标数值

第三，ANSYS在进行再次求和的时候，构件的加权系数即可以运用先前的数据也可以运用取加权系数后总数的倒数，本文取4种工况加权系数均为0.25并且加大侧载，优化出能承受侧向弯矩的腹杆结构。

第四，ANSYS在进行了多种工况加权求和的时候，加权关系可以用自己预定定义的数组，也可以取加权系数均为工况总数的倒数。在拓扑优化结果的一定基础上，我们还可以利用APDL命令提取相应的坐标，得到相应的构件的节距，让满足一定强度条件下的截面在尺寸优化得以完成。

4.结束语

通过利用拓扑优化分析，在满足构件条件的基础上，确定出构件的具体尺寸，优化出构件的设计概念。我国在现代的建筑结构中运用ANSYS软件的拓扑优化方法是一个重要的进步，具有里程碑的意义，在现代社会中在建筑设计中完成合理数据的分析，达到规范设计流程，减少成本、提高美观度，是建筑设计的基础，所以ANSYS拓扑优化法很值得大力的发展很推进。 [科]

【参考文献】

[1]范立础.预应力混凝土连续梁桥[M].北京：人民交通出版社，1997：10-25.

[2]张之铎.桥梁设计理论[J].北京：人民交通出版，1998：12-24.

钢桁架人行天桥设计 篇10

随着市政交通网络的覆盖,越来越多的人行天桥、立交桥出现在了城市交通密集的地区,不仅解决了行人过街的安全问题,同时加强了建筑物之间的联系。钢结构以其强度高、重量轻等优点,被广泛运用于城市桥梁和大跨度公路桥梁中。黄翊对钢结构在人行天桥应用中的优势进行了研究[1]。他通过将现浇混凝土结构、钢桁架结构的两种不同的结构形式的人行天桥作比较,提出钢结构应用于大中跨度天桥具有极强的优越性,并总结了钢结构应用于人行天桥的施工技术要点。王升堂结合钢结构自身的受力特点,对钢结构人行天桥在市政工程中的实际应用进行了研究;他结合建造美国华盛顿州西雅图海边的钢结构人行天桥Helix Bridge的难点问题,总结和阐述了钢结构在解决人行天桥问题中发挥的作用以及钢结构人行天桥施工的要点[2]。笔者依据城市人行天桥的相关设计规则[3],对济南市润华汽车城处待建人行天桥进行了结构计算分析与设计,对钢结构人行天桥的实际应用进行了推广。

2 工程概述

润华汽车城人行天桥位于济南市经十西路主干道,附近有两个居住小区,人流、车流量都很大,是为了解决行人过街问题和保障行人过街安全而设置的跨路人行桥。人行天桥在设计构思时,考虑到地处润华汽车销售商业圈和中国重汽集团驻地,采用金属感强、浑厚坚韧和硬朗的桥型,整体效果如图1所示。

该桥采用跨径23m+35m+20.5m三跨钢桁架桥,桥面净宽3.8m,桥下净高5m,造型高4.5m,自动扶梯宽1.2m,自行车坡道与梯道宽3.5m。

3 结构选型

3.1 基本参数

1)结构布置图

该桥采用跨径23m+35m+20.5m三跨钢桁架桥,依照相关规范[4,5]进行结构布置。结构布置详见图2所示。

2)构件截面形式

腹杆系杆件截面,除中间支座处交叉腹杆为HW200×200×8×12,其余HN200×100×5.5×8,材料Q235B。上平联杆件截面,弦杆口340×200×12×10,材料Q345B;横杆和斜杆均根据文献的相关规定[6,7],经计算,桥体所受荷载情况如下:为HN200×100×5.5×8,材料Q235B。下平联杆件截面,弦杆口340mm×200mm×16mm×12mm,材料Q345B;横杆为H200×150×6×8,材料Q235B。

3.2 计算模型

利用3D3S9.0软件,建立了空间三维计算模型。杆件全部采用杆单元,钢管柱下部与桩承台刚接,上部与桁架铰接。图3给出了有限元建立的空间计算模型示意图。

4 静力计算与分析

4.1 荷载取值

4.1.1 永久荷载

天桥顶板恒载标准值:1.00k N/m2(不含结构自重);

桥面恒载标准值:2.50k N/m2(桥面铺装,不含结构自重);

4.1.2 活荷载

天桥顶板活载标准值:0.50k N/m2;

桥面活载标准值:5.00k N/m2(人群荷载)。

4.1.3 雪荷载

基本雪压:0.40k N/m2。

4.1.4 风荷载

基本风压:0.45k N/m2。

4.1.5 温度作用

温度作用:按升温25℃,降温25℃考虑。

4.1.6 地震作用

地震作用:地震烈度7度(设计地震基本加速度0.10g,第二组)。

自重由程序自动考虑,其它荷载直接手工导到杆件和节点上,然后再进行空间结构分析。

4.2 荷载组合

计算时主要考虑以下荷载组合:

1)1.20恒载+1.40风载工况

2)1.20恒载+1.40活载工况+1.40×0.60风载工况

3)1.20恒载+1.40×0.70活载工况+1.40风载工况

4)1.20恒载+1.40活载工况+1.40×0.80温度荷载

5)1.20恒载+1.40×0.29活载工况+1.30水平地震

5 计算结果及设计验算

5.1 内力计算结果及验算

通过计算分析,构件在各种荷载组合工况下,最不利内力设计值和验算均满足规范要求。表1给出部分构件在各种荷载组合工况下的最不利内力设计值和验算结果。表中轴力以拉为正、压为负。

5.2 位移计算结果

在人群荷载作用下,桥面最大竖向挠度为:14.9mm<l/600=35 000/600=58.3mm,满足规范要求。该人形桥竖向第一频率为0.125s,不会在人行走时产生共振,满足规范要求。

6 结语

钢结构人行天桥与公路桥有所不同,结构自重较轻,一方面导致人群荷载和恒荷载接近,容易导致行走时引起结构共振而产生较大晃动;另一方面风载下也容易振动。本设计采用钢桁架结构体系可以增大主体结构竖向和侧向刚度,减轻结构的振动。由于本结构造型需要,腹杆采用菱形,需将节点按刚接进行处理。

参考文献

[1]黄栩.钢结构在人行天桥应用中的优势[J].广西城镇建设,2009(5):82-84.

[2]王升堂.钢结构人行天桥的实际应用研究[J].桥梁与隧道工程,2011(19):112-114.

[3]CJJ69—1995城市人行天桥与人行地道技术规范[S].

[4]CJJ11—93城市桥梁设计准则[S].

[5]GB50017—2003钢结构设计规范[S].

[6]CJJ77—98城市桥梁设计荷载标准[S].