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桁架結構范文第1篇

（長沙市公路橋梁建設有限責任公司，長沙410000）

（ChangshaHighwayBridgeConstructionCo.，Ltd.，Changsha410000，China）

摘要：采用ANSYS有限元分析軟件，利用push-over分析方法對某框支交錯桁架結構在不同側力分布模式下進行抗震性能分析，得出了罕遇地震作用下框支交錯桁架結構的破壞模式及塑性鉸發展過程。

Abstract:ByANSYSsoftware,thepush-overmethodwasappliedtoanalyzetheseismicperformanceofahigh-risesteelframe-supportedstaggeredtrussstructuresystemunderdifferentlateralloadpatterns.Thefailuremodeandplasticityhingedevelopingprocessingofthehigh-risesteelstructure-supportedstaggeredtrussstructuresystemwereobtainedunderrareearthquake.

關鍵詞 ：框支交錯桁架；ANSYS；push-over分析；破壞模式；塑性鉸

Keywords:frame-supportedstaggeredtrussstructure；ANSYS；push-over；failuremode；plastichinge

中圖分類號：TU391文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2015）21-0109-04

0引言

框支交錯桁架結構是一種實用、經濟、高效的新型組合鋼結構體系。該體系通過轉換層把下部的框架結構和上部的交錯桁架組合起來，充分發揮交錯桁架[1-5]和框架結構的優點[6-9]。由于框支交錯桁架在結構性能上的特殊性，既不同于框架結構或框架支撐結構，也不同于純交錯桁架結構，目前對于該新型結構在抗震方面的研究較少。

本文采用靜力彈塑性分析方法對框支交錯桁架結構進行推覆分析，了解結構各構件承載力之間的相互關系，分析得出結構在強震作用下的破壞機制、各塑性鉸的出鉸順序，找到結構薄弱環節，并對比擬動力試驗研究[10]成果加以驗證。

1靜力彈塑性分析方法

靜力彈塑性分析法，也稱推覆分析法（Pushover）[11-13]，是目前被廣泛應用的一種評估結構抗震性能的簡化方法，美國的ATC-40，MA273/274和歐洲的EC3中已將其納入抗震規范，我國的《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）也推薦了該方法。

靜力彈塑性分析優點[14-16]在于：能夠確定結構在罕遇地震下潛在的破壞機制,找到最先破壞的薄弱環節；相對于彈塑時程分析，可以獲得較為穩定的分析結果,減少分析結果的偶然性，同時大大節省了分析時間和工作量。

Pushover分析方法本質[13]是將結構按一定的變形模態轉化為等效單質點體系的反應譜分析法。通過對結構施加反應地震作用的靜態水平分布力,逐步增加荷載,使結構逐漸進入塑性,直到達到目標位移或接近破壞倒塌為止,從而得到結構的抗震性能以及破壞機理。本文采用4種經典側向水平加載模式：均勻加載、倒三角形加載、沿高度等效加載和SRSS振型疊加加載模式[17]來分析框支交錯桁架結構的破壞模式。

2實例分析

2.1實例模型

本文選取設計尺寸、布局具有一定的代表性的15層框支交錯桁架擬動力試驗模型（國家自然科學基金項目（50878215））為實例。模型共5榀，縱向柱距6m，橫向21m。1～2層為框支層，層高4.5m；3層為桁架轉換層，4～15層為單純混合式交錯桁架布置形式，層高均為3m，總高48m。全部鋼構件使用Q235方鋼管，采用全截面焊接連接，樓板混凝土使用C30，1～4層厚200mm，其他層厚150mm。幾何尺寸如圖1。

2.2ANSYS有限元推覆分析步驟

2.2.1定義單元類型

采用beam188模擬鋼梁、鋼柱及桁架構件，shell63模擬混凝土樓板，合并兩個構件相同位置節點的方法實現節點全部剛接。結構阻尼采用經典Rayleigh阻尼，阻尼比為5%[18]。

2.2.2定義材料特性、實常數和幾何建模

鋼材選用經典雙線性隨動強化模型（BKIN），屈服強度為，彈性模量206000泊松比為v=0.3。

2.2.3施加荷載

豎向荷載為1.2Ge+0.35Qk，Ge為恒荷載標準值，Qk為活荷載標準值。水平荷載采用El-centro（NS）波換算8度罕遇地震反應譜求得的結構基底剪力乘以不同加載模式下的水平加載系數得到沿結構高度分布的水平荷載。本文中計算所采用的四種加載模式下的各層水平加載系數如表1所示。

2.2.4定義求解選項（靜力彈塑性）

選擇NLGEOM，ON，以考慮模型的幾何非線性和材料非線性。采用稀疏矩陣直接求解器（SparseDirect）對聯立方程組進行求解。

3靜力彈塑性分析結果

3.1塑性鉸分布

圖2為結構在破壞模式下的塑性鉸分布。從圖中可以看出，結構的塑性鉸主要產生在斜腹桿上，其次是框支撐，桁架空腹弦桿上也伴隨少量塑性鉸。這是由于在橫向分布力作用下，結構中剪力主要由斜腹桿和框架支撐承擔，隨著側向位移的增加，樓層剪力越來越大，靠近空腹節間位置斜腹桿最先產生塑性鉸，并逐漸擴散，最終塑性鉸主要集中在4～7層靠近空腹節間位置。由于推覆分析是單向加載方式，結構塑性鉸分布不完全對稱。

3.2塑性鉸的發展順序

為研究結構桿件塑性鉸的發展順序以及薄弱桿件承載力之間的相互關系，本文提取SRSS振型疊加加載的推覆模式作用下出現塑性鉸桿件的彎矩—頂點位移曲線（塑性變形較大的結構一側，見圖3）。由圖可知，位移為0.125m時，在第2、4榀第5、7層的第3節間斜腹桿上首先出現塑性鉸，并逐漸發展到第3榀第6層。由于結構體系的空間協調作用，隨著側向位移加大，第1、3、5榀第6層第3節間斜腹桿相繼出現塑性鉸。位移為0.175m時，結構塑性變形向四周快速發展，第4、8、9層斜腹桿及第2層框支撐相繼出現塑性鉸。隨著結構位移的增大，塑性鉸繼續發展，產生塑性鉸構件的承載力逐漸下降，并隨之退出工作，結構出現明顯的內力重分布現象，第1層框支撐出現塑性鉸，5、7層空腹弦桿出現少量塑性鉸。位移為0.225m時，大批腹桿出現塑性變形，主要集中在4-7層，最后塑性鉸出現在柱腳，結構開始失穩并發生整體破壞。

由各屈曲桿件彎矩—頂層位移圖可知，桿件屈曲呈現分批現象，內力重分布明顯。塑性鉸主要分布在第三節間斜腹桿上，說明第三節間斜腹桿是主要耗能構件；邊側斜腹桿出現的塑性鉸較少，且承受極限彎矩值是靠近空腹節間斜腹桿彎矩值得1/2左右，說明邊側斜腹桿承載力未充分發揮；第二層框架支撐彎矩值是斜腹桿彎矩承載力的2倍左右，設計時要注重底部框架支撐的承載力及耗能設計。

3.3Pushover分析結果

為驗證本文Pushover法的結果可靠性，選用文獻[10]中使結構進入破壞階段的>9度罕遇地震作用擬動力試驗所得等效頂點力與頂層位移的滯回曲線的包絡值作對比。從圖4中可以看出，本文所采用的4種Pushover曲線與文獻基底剪力—頂層位移曲線擬合均較好，其中均勻加載模式下相差最大，以SRSS振型疊加加載下曲線為準，該加載模式作用下基底剪力值為較文獻[10]大17%。這是由于有限元模型邊界條件、材料性能以及試驗方法與試驗模型存在一定差異，導致理論模型剛度較實驗模型剛度偏高，從而基底剪力較大，位移較小，但仍然說明本文Pushover結果可靠度較高。

對SRSS組合加載模式下的頂點位移與底部總剪力的關系曲線作分析，頂層位移達到0.165m之前，結構整體處于彈性階段，局部構件出現塑性鉸；之后，結構進入整體屈服階段，塑性鉸主要出現在靠近空腹節間的斜腹桿上；頂層位移達到0.175m時，第2層框支撐逐漸進入屈服狀態，塑性變形快速發展，結構處于整體屈服繼續發展狀態；隨著第1層框支撐出現塑性鉸，結構接近承載力極限狀態，柱腳節點進入塑性變形工作狀態，結構開始失穩并進入整體破壞階段。

圖5、6給出了結構在SRSS組合加載模式下的樓層極限位移和極限層間位移角。結構橫向極限狀態下最大層間位移角發生在第5層，為1/111，同時第7層層間位移角也較大，最大為1/114；文獻[10]中>9度擬動力罕遇地震最大層間位移角發生在第7層，為1/88，第5層層間位移角為1/90，最大層間位移角發生在第7層是因為試驗中力直接加載在第7層上。從圖中看出，結構下部橫向位移偏大，并且第3層位移角有明顯回縮突變，變形曲線均為剪切變形。說明結構沿高度方向側向剛度分布不均勻，設計時應重視轉換層引起的剛度突變對結構的受力影響。

綜上，結構薄弱層為5、7層，靠近空腹節間斜腹桿和框架支撐為薄弱構件。塑性鉸發展順序為：桁架5、7層斜腹桿—桁架弦桿空腹節間—框支撐—柱腳，柱中未出現塑性鉸，破壞機理屬于梁鉸機制，滿足“強柱弱梁”的抗震要求。

4結論

①由于結構的剪力主要由斜桿承受，因此塑性鉸集中出現在4-7層靠近空腹節間的斜腹桿上，下部框支撐上，弦桿上出現少量塑性鉸，柱中無塑性鉸出現。在合理設計條件下，利用部分構件塑性變形耗散地震能量，滿足多道防線的破壞機制。

②框支交錯桁架結構側向剛度較大，但存在剛度突變，最大層間位移角出現在第5、7層，在實際應用中，可以增多桁架榀數，從而減小轉換層帶來的剛度突變及其交錯布置所帶來的剛度不均勻。

③在罕遇地震荷載作用下，構件的塑性鉸發展不同于純交錯桁架由下而上的發展趨勢[19-21]，而是從第5、7層中部斜腹桿開始向四周擴散，塑性鉸發展順序為：靠近空腹節間斜腹桿—弦桿—框支撐—柱腳，其破壞機理屬于梁鉸機制。結構薄弱層為5、7層及底部框架層。

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桁架結構范文第2篇

關鍵詞：管桁架 鋼結構 焊接 預拼裝 制作精度 深化設計

中圖分類號： S611 文獻標識碼： A

1.概述

管結構和桁架結構是鋼結構的重要組成部分。隨著鋼結構行業軟件的技術進步和多維數控切割技術的發展，為管桁架鋼結構的應用提供了技術和裝備的保證，管桁架結構得到了前所未有的發展。

管桁架鋼結構有如下優點：1）節點形式簡單。結構外形簡潔、流暢，適用于多種結構造型。2）剛度大，幾何特性好。鋼管的管壁一般較薄，截面回轉半徑較大性能好。故抗壓和抗扭性能好。3）施工簡單，節省材料。節點處各桿件直接焊接，因而具有施工簡單，節省材料的優點。4）有利于防腐和清潔維護。鋼管和大氣接觸表面積小，易于防護。在節點處直接焊接，維護更為方便，管形構件在全長和端部封閉后，其內部不易生銹。5）圓管結構的管桁結構流體動力特性好。承受風力或水流等荷載的作用時，荷載對圓管結構的作用效應比其他截面形式結構的效應要低得多。

管桁結構尤其是空間管桁結構的獨特優勢，符合大跨度空間結構的發展需要，這種結構體系營造了力學和美學的完美結合，在造型新穎、外形各具特色的大型場館、會展中心等中愈來愈受到青睞，發展勢頭迅猛。

2.管桁架用低合金高強度鋼焊接技術

焊接技術是鋼結構技術中的關鍵技術，是鋼結構工程的質量和壽命保證。對于大跨度管桁架鋼結構也同樣。低合金高強度鋼結構焊接技術的掌握，是大跨度管桁架鋼結構制作技術的基礎。

正確選擇鋼結構在制作加工過程中經常使用焊接工藝，才能保證低合金高強度鋼所制作的鋼結構的焊縫應具備的強度和韌性．才能經受住預定用途出現的最不利的條件。日前低合金高強度鋼的發展與各種焊接工藝的發展足同步進行的，管桁架鋼結構目前涉及的材質為Q345，在焊接工藝合理、焊接操作得當，嚴控焊接工藝紀律是可以很好地進行焊接的。因此不再贅述。

3.管桁架結構焊接變形控制技術

3.1管桁架結構焊接

大跨度管桁架結構的線條要求流暢，形體優美；鋼管的連接主要采用焊接，焊接質量的保證是管桁架結構的關鍵控制技術。從焊接節點構造，焊接工藝和無損檢測技術方面進行控制。

管桁架焊接通常采用手工電弧焊或氣體保護焊。在施工條件允許時，盡可能采用CO2氣體保護焊，以有效減少焊接時的收縮和變形，同時也能夠提高焊接的生產效率，加快施工進度。

3.1.1焊接前必須編制合理的施焊工藝和施焊程序；嚴格按焊接工藝進行焊接；

3.1.2焊接前必須對組對桁架進行檢驗，按照不同材質，根據焊接工藝方案的要求，選用對應的焊材；

3.1.3組對焊接時，采用多人對稱反向焊接，最大限度減少焊接變形；

3.1.4嚴格按設計要求進行焊縫尺寸控制，杜絕自由工藝------不任意加大或減小焊縫的高度和寬度；

3.1.5焊接前將焊縫區邊緣30到50內的鐵銹、毛刺、污垢等清除干凈，以減少產生氣孔等焊接缺陷的因素；

3.1.6焊接后清理焊縫表面的熔渣和飛濺，進行焊縫檢查（焊縫外觀檢查和無損探傷），合格后按要求在規定位置打焊工鋼印；

3.1.7加強焊材管理，按規定烘烤、領用和使用；

3.1.8加強焊工管理，焊工必須持證上崗，施焊前進行相應的培訓。

3.2焊接變形控制

3.2.1、定位焊

3.2.1.1應距設計焊縫端部30mm以上,焊縫長度應為50mm~100mm,間距應為400mm~600mm。

3.2.1.2 正式焊接開始前或正式焊接中，發現定位焊有裂紋 應徹底清除定位焊后， 再進行正式焊接。

3.2.1.3對于焊接墊板， 在構件固定端的背面定位焊。當兩個構件組對完畢， 活動端無法從背面點焊， 應當在坡口內定位焊， 當預熱溫度達到要求時,采用定位焊順序為從坡口中間往兩端進行,以防止墊板變形。

3.2.2、焊接預熱、層間溫度和焊接環境

3.2.2.1 對于厚度大于 3 6mm的低合金鋼應采用焊前預熱和焊后熱處理措施， 預熱及焊后熱處理的溫度應根據焊接工藝試驗評定報告確定。要平衡加熱量， 使焊接變形和收縮量減少。

3.2.2.2焊接接頭兩端板厚不同時， 應按厚板確定預熱溫度； 焊接接頭材質不同時，按強度高、 含碳量高的鋼材確定預熱溫度。

3.2.2.3厚板焊前預熱及層間溫度的保持優先采用電加熱器， 板厚 2 5mm以下也可用火焰加熱器加熱， 并采用專用的接觸式熱電偶測溫儀測量。

3.2.2.4預熱的加熱區域應在焊縫兩側， 加熱寬度應各為焊件待焊處厚度的1.5倍 以上，且不小于100mm； 預熱溫度可能時應在焊件反面測量，測量點應在離電弧經過前的焊接點各方向不小于75mm處，圓管桿件對接時不能在焊件反面測量， 則應根據板厚不同適當提高正面預熱溫度，以便使全板厚達到規定的預熱溫度 ； 當用火焰加熱器時正面測量應在加熱停止后進行。

3.2.2.5焊接返修處的預熱溫度應高于正常預熱溫度 5 0℃左右， 預熱區域應適當加寬，以防止發生焊接裂紋。

3.2.2.6層間溫度范圍的最低值與預熱溫度相同， 其最高值應滿足母材熱影響區不過熱的要求， 焊接層間溫度低于250℃。

3.2.2.7 預熱操作及測溫人員須經培訓， 以確保規定加熱制度的準確執行。

3.2.2.8有焊后消氫熱處理要求時，焊件應在焊接完成后立 即加熱到3 0 0℃- -3 5 0℃。保溫時間根據板厚按每25mm板厚不小于0.5h 且不大于1h確定，達到保溫時間后用巖棉被包裹緩冷。其加熱、測溫方法和操作人員培訓要求與預熱相同。

3.2.2.9相對濕度 8 0 ％以上， 或因降雨、雪等使母材表面潮濕及大風天氣( 風速大于 8m／s)，不得進行露天焊接； 但焊工及被焊接部分如果被充分保護且對母材采取適當處置( 如加熱、去潮)時，可進行焊接。

3.2.2.10當采用CO2半自動氣體保護焊時， 環境風速大于2m／s時應采用適當的擋風措施或采用抗風式焊機。

3.2.3、焊接順序

3.2.3.1 先焊主弦桿管與管之間的對接焊縫 ；

3.2.3.2再焊斜腹桿與主弦桿的相貫焊縫、腹桿與腹桿的對接焊縫；

3.2.3.3焊完一條后再轉入另一條焊接，同一管子的兩條焊縫不得同時焊接；

3.2.3.4焊接時應由中間往兩邊對稱跳焊，防止扭曲變形( 見圖 1 ) 。

3.2..4、典型焊縫的焊接工藝

3.2.4.1管-管對接

一般采用帶襯環的全溶透對接焊縫。

手工焊：每條環焊縫由兩名焊工對稱施焊；采用多層多道焊；根部用φ2.5mm或仍φ3.2mm焊條打底焊 1層 ～2層， 其他用φ4mm或φ5mm焊條填充、 蓋面。

管子對焊機：如采用KB500 MIG\MAG填充蓋面自動焊接系統，可焊接外徑159到500，厚度4到30，長度500到15000的鋼管。組對焊一體化的焊接系統，高效、高質量的焊接保證。

3.2.4.2相貫節點焊接

相貫焊縫應對稱施焊，多層多道焊； 熔透部位采用Ф2.5mm的焊絲打底，或直接采用手工電弧焊Ф2.5mm或Ф3.2mm焊條打底,但要確保單面焊雙面成型， 其他采用Ф4mm或Ф5mm焊條填充、蓋面； 一個節點往往有多條相貫焊縫，焊縫集中。一條相貫焊縫焊接完畢冷卻后，再焊相鄰的相貫焊縫,以防止應力集中，減小焊接變形。焊接時，應先焊坡口大，變形大的區域 ，對于 Y形節點 ，先焊 A，D區，后焊 C， B區，且先焊趾部再焊根部。T形節點先焊趾部，后焊側邊。

相貫形節點的焊縫可分為全溶透焊、部分溶透焊和角焊縫3類，根據設計承載要求不同而不同。而由于管壁厚度的不同及支管與主管之間不同的夾角，能夠采用的焊接形式和焊縫的高度也有所不同。如對應不同的管壁有的需要在支管馬鞍形曲線處切割出一定的坡口角度才能焊透。支管的壁厚較小時不用切割出坡口角度也能焊透；如支管與主管之間的夾角小于30º時，根部區難于施焊，必須在夾角底部填焊至一定寬度后才可正常施焊，其焊縫有效值必須取樣檢驗進行焊接工藝評定加以驗證。管桁架結構中包含大量T、Y、K、X形節點。空間管桁架焊工施焊時焊接位置包含平、橫、立、仰全位置施焊，應針對支管與主管間的不同角度有不同的焊接要求。

3.2.4.3焊接球節點的焊接

分兩種：一種為管子帶襯環對接焊；一種為球、管直接對焊。

3.5、焊后處理

焊后處理包括后熱及消氫處理 ，后熱溫度一般為 1 5 0℃～2 5 0℃， 消氫溫度則是在 3 0 0℃～4 0 0℃， 加熱好后保溫一段時間。目的都是加速焊接中氫的擴散逸出， 消氫處理比后熱處理效果更好。對于一般拘束接頭可采用焊后緩冷措施，不會產生氫致延遲裂紋。

4. 管桁架組對胎架設計、制作、精度控制

管桁架組對胎架設計、制作、精度控制是管桁架制作的另一項關鍵技術。胎架的設計以結構的三維實體仿真模型為基礎，三維實體模型的搭建精度是胎架設計、制作精度控制的前提保證。管桁架的組對胎架同樣分平面和空間兩大類。

4.1胎架采用工字鋼或槽鋼，胎架間距及規格大小根據具體工程桁架的型式、外形尺寸、重量等確定。TJ1為粗調高度（根據桁架類型確定各TJ1的高度），PL1為微調時所用。精度控制：桁架在地面拼裝時，每個接口位置設拼裝胎架，為了保證拼裝精度，利用工字鋼（槽鋼）制作鋼胎架，上面放置不同厚度的鋼板以保證桁架的起拱值胎架要用高精度的儀器（經緯儀、水準儀等）來保證直線度、垂直度。并保證支架穩定，在拼裝期間不發生變形。

圖1拼裝胎具

4.2對于通常做法，為保證類似曲線面桁架的制作安裝精度，制作整體拼裝胎具，胎具分為正放和倒放兩種，一般根據選定的上弦或下弦為基準參考點來確定，將選定的上弦或下弦底層胎具平行地面位置，設立組裝胎具，如圖2：通常做法設置的拼裝胎具。

圖2通常做法設置的拼裝胎具 圖3側放位置的胎具

但有時桁架上下弦拱度大，空間幾何尺寸變化復雜，弦桿和腹桿相互間隨位置變化而相貫切口變化很大，采用制作側放位置的空間三維胎具，進行桁架拼裝，如圖3：側放位置的胎具。

5.管桁架預起拱計算和控制方案

5..1桁架起拱的一般規定

由于桁架的剛度較好，在一般情況下，桁架在使用階段的撓度均較小，因此，當跨度在40m以下的桁架，一般可不起拱（拼裝過程中，為防止桁架下撓，可根據經驗留施工起拱）。

桁架起拱按線形分有兩類：折線形和圓弧線形；桁架起拱按找坡方向，分為單向起拱和雙向起拱。

單向圓弧線起拱和雙向圓弧線起拱，都要通過計算確定幾何尺寸。當為折線起拱時，無論是單向或雙向找坡，起拱計算較簡單；但對截面為三角形等的空間桁架，當單向或雙向起拱時計算均較復雜。

5.2管桁架起拱的控制方案

根據設計要求確定管桁架是否起拱。起拱方式分：制作時起拱和深化設計時起拱。目前一般采用后者。即按起拱后的實際形式來建模確定弦桿以及腹桿的長度及相貫線形狀。

控制方案：起拱弦桿在桁架組對時，胎架高度按起拱后的高度來組立。

6.管桁架組對精度控制技術

根據工程的具體情況，管桁架的組對分工廠組對和施工現場組對。管桁架的組對必須在鋼平臺上進行。通常采用厚度不小于20的鋼板搭設組對平臺，以確保平臺的剛度。鋼平臺的水平度的測設點應與管桁架組對胎架的測設點一致。

空間管桁架拼裝時，使用多點吊裝方法，將弦桿依次架到胎具的支架上，采用水準儀對各標高尺寸進行測量，利用鉛墜將各方向的尺寸投影到平臺上，使用經緯儀在同一平面上進行測量，以此控制桁架的三維空間尺寸。腹桿安裝時，在弦桿與腹桿相貫節點處彈出中心線，確保腹桿位置的正確。各桿件拼裝后，采用水準儀、鉛墜和鋼卷尺對各點進行檢驗，合格后進行定位焊。

管桁架的制作精度的另一關鍵是管桁架的焊接。在條件允許的情況下盡量采用焊后變形小的氣體保護焊。在組裝胎架上進行單榀桁架的焊接時，必須按照先焊中間節點，再向桁架兩端節點擴展的焊接順序，以免由于焊縫收縮向一端累計而引起的桁架各節點間尺寸誤差。并且不得在同一支管的兩端同時施焊。

焊縫尺寸應符合設計要求的計算厚度或焊縫大小，但也要避免過多的堆焊加高而產生較大的焊接殘余應力。

相貫節點焊縫坡口的根部間隙大于標準規定值（1.5mm）時，可以按超標間隙值增加焊縫尺寸。但間隙大于5 mm時應事先采用堆焊和打磨方法修整支管端頭或在接口處主管表面堆焊焊道，以減少焊縫間隙。

7.大跨度管桁架預拼裝技術

在工廠深化設計的基礎上，依據結構整體三維線框模型或三維實體仿真模型，按照1:1的比例制作胎架，由于管桁架一般是由中間向兩邊完全對稱的結構形式，因此胎架一般制作一半也可。

胎架制作完畢后，應進行反復校核，確保拼裝的精確度。預拼裝時，根據管桁架形式的不同，分平面預拼裝和空間預拼裝。先將上、下弦放置在胎架上固定，然后將腹桿從中間部位向兩邊依次組裝，組裝完成后，按照鋼結構制作規范進行檢查，若偏差大，則需調整，完全能滿足要求后方可。

計算機三維實體仿真技術的應用，改變了以往傳統的鋼結構的預拼裝技術。三維實體仿真模型的建設是整體管桁架結構1:1預拼裝的一種預檢驗形式，借助多維數控切割技術和桿件、支座等零部件質量的精細控制或重要節點局部的實體預拼裝，大跨度管桁架結構整體全實體預拼裝有望取消。這樣，可以大大縮短工程的制作周期，提高大跨度管桁架的制作效率。

8.鋼結構深化設計軟件（Tekla Structures和STCAD\CAM）的應用

管桁架工廠深化設計是管桁架鋼結構制作技術的前提保證。深化設計由專業技術人員使用專業的軟件進行。深化設計要完成兩大內容，二者相互交集、密不可分：其一為結構三維實體模型的搭建（有起拱要求的，按起拱后的實際形式來建模）和結構加工圖及工程量的確定；其二為制作工藝數據庫的確定：復核計算重要節點并確定節點形式、確定桁架弦干拼接點位置和桁架節段拼接位置、多管相貫時確定節點工作點的定位以及允許偏心量和節點的裝配順序、確定節點的合理焊縫形式和焊縫收縮量、區分并確定重要的零件和構件及其加工工藝、優化配料并確定所有桿件的加工數據。

Tekla Structures可輔助進行管桁架三維實體模型的搭建和重要節點的仿真，是建模的普適軟件。管桁架工程深化設計中，STCAD\CAM更專業。ST CAD軟件是一套成熟的管結構計算機輔助設計與制造系統軟件，實際應用中需要結合工程實際具體問題具體分析。工廠深化設計中STCAD建立模型步驟為：確定管桁架結構類型---建立軸線模型---定義桁架桿件屬性---賦予桿件截面---節點處理---定義模型屬性---生成模型---檢查模型---輸出桁架圖紙---輸出數控文件。

鋼結構深化設計軟件（Tekla Structures和STCAD\CAM）的應用，為設計和制作的集成提供了可能，實現了設計和制作的一體化。

結語：管桁架鋼結構在焊接要求、制作精度、防銹措施等方面與一般的鋼結構要求相同。管桁架的重點是其節點，即桿件直接在空間會交而成的相貫節點，因此管桁架鋼結構制作的關鍵技術在于節點放樣、焊縫及坡口的加工及管桁架整體制作精度的控制技術。

參考文獻：

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2 《鋼結構設計規范》GB50017-2003；

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2《建筑鋼結構焊接技術規程》JGJ81-2002

3《預應力鋼結構技術規程》CEC212-2006；

桁架結構范文第3篇

關鍵詞：張弦桁架；等效降溫法；零狀態；預應力

中圖分類號： TU393.3 文獻標識碼：A

Analysis on pre-stress control of truss string structure

Ke Youhua

(China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co., Ltd Tianjin 300133,China)

Abstract: The pre-stress of truss-string structure is analyzed and researched in the process of construction. According to the stress characteristics of the structure and the theory about simulating initial strain, another loading method named equivalent cooling method is put forwarded. The pre-stress of truss-string structure is analyzed and demonstrated by giving an example through reforming initial strain of the cable along the ends to cooling along the whole cable. The determination principle of truss string structure is got, and the precision of the method is inspected by applying the temperature load.

Key words: Truss-string structure; equivalent cooling method; Initial state; pre-stress

中圖分類號：TU74文獻標識碼：A文章編號：

1 預應力的作用

張弦桁架結構【1】是由張弦梁結構發展而來的一種新型預應力鋼結構。它的上弦是立體桁架，基本構件中沒有受力較為復雜的抗彎受壓構件，各種桿件只承受軸向力。它利用施加在索上的預應力使立體桁架產生反撓度，結構在荷載作用下的最終撓度得以減小，撐桿對立體桁架提供了支承，改善了它的受力性能，索承受了立體桁架的水平推力，減少了滑動支座的水平位移，從而減輕了其對支座產生的負擔。張弦桁架結構的各種構件受力簡潔明確，拉壓桿取長補短，協同工作，充分發揮了材料的受力特點，是一種典型的剛柔雜交的預應力鋼結構體系。

張弦桁架結構的預應力是在沒有外荷載作用下結構內部所維持的自平衡內力分布。在張拉下弦拉索的施工過程中，拉索的張拉力并不是預應力，其通常包括兩部分的效應，一部分為外荷載和結構自重所引起的拉索內力，還有一部分為預應力在拉索中產生的內力。也就是說，如果結構中并不需要預應力的作用，張拉拉索實際上就是使拉索參與結構共同工作的過程，而不是施加預應力。張弦桁架結構中是否需要張拉拉索產生預應力，通常有兩種考慮：一種是出于改善上弦構件的受力性能，減小上弦構件的內力；二是防止在結構使用期間某種荷載工況(主要是屋面風吸力作用) 下可能會克服恒載的效應而使得拉索受壓退出工作。因此，拉索中維持一定的預應力可以保證拉索不出現壓力。

對拉索施加預應力是使張弦桁架結構形成自平衡體系，具有較大整體剛度的關鍵。當結構處于初始態時，預應力使結構上拱，形成一定的負撓度，承受外荷載時，結構產生正撓度，正負撓度相互抵消一部分，使結構最終撓度不會很大，從而充分發揮此類結構的優越性。另外，預應力的施加使得結構各桿件內力減小，并且張弦桁架結構下弦采用高強拉索，預應力使材料的高強度性能得到充分發揮。

2 預應力的施加方法

在張弦桁架結構中用有限元模擬預應力【2】通常有三種方法：力模擬法、初應變模擬法和等效降溫法。

2.1力模擬法

力模擬法是在下弦靠近支座處的兩端施加大小相等、方向相反的預應力，來模擬千斤頂張拉鋼索。整個張拉過程分兩步，第一步施加重力荷載，第二步施加預應力。為了充分體現結構的非線性性質，每個荷載步中應取較多的子步數進行求解。

力模擬法可以逼真地模擬張拉過程，得到索拉力-位移曲線，但是不能在預應力張拉完畢后緊跟著進行施工階段的加載分析，也不能研究施工完畢后結構在工作狀態的力學性能。因為，用一對大小相等、方向相反的力模擬索張拉有時會會使得兩個節點間的索段發生松弛現象，從開始施加施工荷載到索開始受力這個過程中索力沒有增加，這與實際情況不符。

2.2初應變法

初應變法是通過兩端索段或整個索段施加初應變來模擬預應力。該方法先粗略地取定一個初應變進行求解，然后根據由此得到的下弦索拉力來調整初應變的數值進行第二次試運算，重復該步驟，直到下弦索拉力恰好達到期望值為止。

它的優點【2】是力學概念清晰、簡單，能夠實現預應力張拉完畢后緊跟著施工階段的加載分析，研究結構在竣工后工作狀態中的力學性能，缺點是僅僅適用于進行一次預應力張拉的工程，因為在求解的第一步初應變就會被完全地施加到結構中去，不能模擬工程中常見的多次預應力張拉的情況。

2.3等效降溫法

等效降溫法是根據物體的熱脹冷縮特性，對張弦桁架下弦的鋼索進行降溫使之收縮來模擬施加預應力的張拉過程，結構相應產生下弦受拉、腹桿受壓和上弦受壓彎的效應。在進行有限元分析時可以先較粗略地取定一個溫度荷載進行求解，根據由此得到的下弦索拉力來調整溫度荷載的數值進行第二次運算，然后重復繼續該計算步驟，直到下弦索拉力恰好達到期望值為止。

等效降溫法的優點是可以靈活模擬一次和多次張拉過程，在張拉完畢后可以接著進行荷載態分析，并進一步研究施工完畢后結構在工作狀態下的力學性能，即可模擬施工全過程。研究表明，如果結構在施工過程中分級【3】施加預應力，將有可能使得張弦桁架結構的支承構件受力減少到最小程度。等效降溫法對于實際工程的預應力模擬比較準確，本文即采用該方法。

3 預應力的確定原則

在進行張弦梁結構的設計分析時，首先要確定張弦梁結構的初始態【4】預應力大小和分布，然后才能確定結構零狀態幾何以及進行后續荷載態的分析。根據預應力在結構中的作用，可以得出預應力大小合理取值的三個主要原則：

（1）對于張弦桁架結構，就是盡量減小上弦桿軸拉力，使結構中內力分布比較合理，改善結構受力性能。上弦構件的軸壓力太大會造成結構的不經濟。

（2）在各種可能工況下，索應保持拉應力，并有一定的安全儲備，且不超過規定的應力比。

（3）過大的預應力使索張拉施工不方便，會增大張弦桁架吊裝時整體失穩的可能性。

總之，張弦梁結構中預應力大小的合理取值受多種因素影響。綜上所述，本文對拉索預應力值的確定原則是：張弦桁架在屋蓋恒載基本完成后，不考慮屋面活載及吊掛荷載的情況下，屋架的幾何形狀應與設計的相應節點坐標相符，即預應力產生的反拱與恒載（結構自重+支撐、檁條+屋面板）標準值產生的撓度大小相等的方法來確定預應力的大小。在實際的工程中【5】很難同時滿足確定原則中的所有要求，但從設計角度上看，此方法是比較合理并切合實際的。

4 算例分析

4.1結構形式

計算模型參考廣州國際會議展覽中心屋蓋等實際工程，采用倒三角形斷面的張弦立體桁架，桁架的中心線和拉索的軸線形狀均采用二次拋物線。整體結構由六榀同樣的張弦桁架及其支撐系統組成一個獨立的屋蓋體系，每榀張弦桁架的中線間距為15m。結構的支座跨度為130m，矢高為13m，垂度為8m，一端為固定鉸支座，另一端為可滑動鉸支座。桁架截面寬3m、高3m；中部撐桿共11根，每根間距10m；側向桁架支撐共5道，作為屋蓋的縱向垂直支撐，除了在兩側支座及中部設置外，在1/4跨和3/4跨處各設置一道；未與垂直支撐相連的上弦節點布置檁條，間距為5m。上述縱向支撐體系結合屋蓋周邊布置的水平支撐體系，使整個屋蓋體系形成了較大的縱向空間剛度。

以單榀桁架結構為研究對象，其結構模型如圖1所示。

圖1 單榀張弦立體桁架的結構模型（單位：mm）

Fig. 1 sing model of string truss structure

4.2單元類型

對于張弦桁架結構模型，上、下弦桿采用Beam188空間梁單元，腹桿、撐桿采用Link8空間桿單元，拉索采用只能受拉不能受壓的Link10索單元。

4.3 荷載設計參數

屋架自重由ANSYS【6】有限元自動計算，檁條支撐為0.4KN/m2，屋面板取0.2 KN /，即恒荷載的標準值為0.6 KN/，單榀張弦桁架上弦每個節點承受的荷載標準值為0.6×50×130/56=20.89KN，方向向下。

4.4 計算模型參數

上弦桿截面尺寸為Φ480×22mm，面積為316552m2，下弦桿為Φ480×24mm，面積為3438m2，腹桿為Φ180×8mm，面積為4323m2，撐桿為Φ325×8mm，面積為7967m2，拉索截面尺寸為397Φ7mm,，面積為15277m2，斜撐截面尺寸為Φ219×6.5mm，面積為4339m2，檁條為H600×200×8×10，面積為8640m2。上述構件除拉索外全部使用Q345鋼材，強度標準值為345MPa，強度設計值為310MPa，密度為7850kg/m3，線膨脹系數為1.2×105，彈性模量為2.06×105MPa。Φ7鋼絲束強度標準值為1570MPa，強度設計值為1110MPa，密度為7850kg/m3，線膨脹系數為1.2×105。

4.5數據結果分析

因結構變形較大，要使所有節點最終撓度都為零是不可能的，經過試算發現荷載作用下跨中截面桁架下弦節點14的位移最大，所以只需控制該節點的位移，把該節點作為控制點。根據上文的預應力值確定原則，利用ANSYS有限元軟件的APDL【7】參數化語言進行編程計算，具體計算流程如圖2所示，最終確定張弦桁架結構拉索的初始預應力為1890KN，桁架跨中起拱值為287.09mm。

圖2ANSYS參數化語言確定初始預應力流程圖

Fig.2The process chart of initial pre-stress determined by ANSYS parametric language

6 結語

（1）對于張弦桁架結構，可以采用等效降溫法模擬預應力，結合ANSYS有限元軟件能夠方便地求出初狀態的內力分布，且與設計的初始態幾何基本一致，能達到施工時的精度控制要求。

（2）等效降溫法力學概念清晰，便于程序實現。通過等效降溫法對其找形精度的檢驗可以看到，節點坐標、索、撐桿的內力、桁架的腹桿內力，上下弦桿內力與設計態的結果基本一致。因此，證明該方法是準確可靠的。

（3）對于大跨度張弦桁架結構，初始預應力對結構內力和初始變形影響較大，設計時應合理確定初始預應力的值，建議取預應力產生的反拱值與恒載（結構自重+支撐、檁條+屋面板）標準值產生的撓度值大小相等的方法確定預應力值。

（4）利用ANSYS軟件的APDL參數化語言，編寫專門的計算程序，可以使軟件自動反復計算，輸出要求的預應力和正確的節點坐標，在一定程序上減少了人工參與，提高了計算效率。

【參考文獻】

[1] 柯友華，陳波.張弦桁架結構的非線性地震響應及其參數分析 [J].鋼結構，2010(03).Vol.25

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[3] 趙憲波，葉繼紅.張弦梁（桁架）結構的找形方法－分級卸載法[J ].計算力學學報，2007，10

and Membrane Structure[M] .Shanghai: Tongji University Press，2002.（in Chinese））

[4] 張其林，張莉等. 預應力梁－索屋蓋形狀確定[A] . 第九屆空間結構學術會議論文集[C] .2002，387-394.(ZHANG Qi-lin ZHANG Li. Shape Finding of Pretressed Beam-Cable Roofs[A] .Theses of The Ninth Spatial Structure Conference[C].2000.(in Chinese))

[5] 楊睿，董石麟，倪英戈.預應力張弦梁結構的形態分析－改進的逆迭代法[J].空間結構，2002，8（4）：29-34

[6] 王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M]，北京：人民交通出版社，2007

[7] 龔曙光，謝桂蘭. ANSYS操作命令與參數化編程[M]，北京：機械工業出版社，2004

【作者簡介】

桁架結構范文第4篇

關鍵詞：體育館；管桁架；鋼結構監理

Abstract: Welding, lifting, folding and unloading of gymnasium pipe truss steel structure installation of the emphases and difficulties, this paper through a gymnasium steel pipe truss structure installation supervision experience, briefly in the process of supervision control points.

Key words: stadium, pipe truss, steel structure supervision

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）

1 管桁架鋼結構的焊接監理

管桁架鋼結構焊接監理應注意焊接工藝評定、焊接人員的控制、焊接常見質量通病的控制。

目前體育館鋼結構采用Q345材質較多（如筆者監理的該體育館四個場館均采用Q345材質），國內對于Q345及以下材質的焊接工藝已經比較成熟，即將頒布的《鋼結構焊接規范GB50661》更是明文規定Q345及以下材質不需要廠家提供焊接工藝評定，只需提供焊接作業指導書，但是Q390以上材質則必須提供焊接工藝評定，重要的焊接形式建議現場進行評定。

焊接操作人員的素質對于焊接質量起著至關重要的作用，監理應嚴格檢查其特種作業人員操作證和焊工合格證，確保施焊人員是在考試合格范圍內持證上崗，對于焊接質量不合格人員，應督促施工單位進行更換。作者在該體育場館的監理過程中，就遇到部分焊工焊接水平較差，焊縫外觀不合格，存在氣孔、不飽滿等缺陷，探傷時發現存在較大比例焊縫需要返工，通過同施工單位進行溝通，更換了該部分焊工人員，確保焊縫的焊接質量。

管桁架焊接過程中常出現錯邊等質量通病，在高空對接后出現錯邊更是不易處理，錯邊的出現同制作廠的水平和現場安裝技術都有關系，管件在卷制時應控制好橢圓度，駐廠監理注意用樣板等工具檢查，運輸時的磕碰也會影響管件橢圓度，所以進場時現場監理也要注意這方面的檢查工作。現場預組裝也是控制錯邊的一個重要途徑，通過預組裝檢查高空對接處的錯邊情況，存在問題的提前處理。

2 管桁架鋼結構的吊裝監理

體育館管桁架鋼結構吊裝，存在吊裝件重量大、構件不規則和現場道路條件差等情況，監理過程中應特別注意前期的準備工作，審查吊裝方案是否符合國家強制性要求（達到一定規模的吊裝需要進行專家論證），檢查人員和吊裝設備的資料，符合相關規定。吊裝前會同各方檢查吊裝機械的安全元件是否有效，吊裝過程中旁站見證，杜絕野蠻操作。該體育館主桁架跨度達112米，單榀主桁架最重約200噸，且館內有地下結構及游泳池等土建結構，吊機不能進入，導致鋼結構安裝時的作業半徑很大，其屋蓋鋼結構的吊裝是本工程的難點，解決方案：對該體育館屋蓋鋼結構的安裝采用大型履帶吊在外側行走吊裝，主桁架采取分段吊裝就位，分段口設置支撐胎架輔助安裝，有效解決了吊裝問題。在吊裝過程中對吊裝構件進行三維測量定位，準確落實構件中心點。吊裝過程中對人員安全和財產安全影響較大，監理過程中應特別重視，避免安全事故的發生，在該體育館某場館的吊裝過程中，吊裝人員未按照施工方案選用對應規格的鋼絲繩，安全系數不夠，不顧監理人員和現場總包方管理人員的指令，強行吊裝，最后鋼絲繩斷裂，砸壞混凝土平臺，造成較大經濟損失。

3 管桁架鋼結構的合攏

帶臨時支撐的鋼結構體系轉換成封閉穩定鋼結構體系的過程叫合攏，合攏過程中應注意合攏溫度的確定、合攏線的布置、合攏工程必須在夜間進行。

合攏溫度就是鋼結構在合攏過程中的初始平均溫度，區別于大氣溫度，是結構使用中溫度的基準點，也稱安裝校準溫度。其確定原則如下：確定結構合攏溫度時，首先考慮當地的氣象條件，應使合攏溫度接均氣溫，也就是可進行施工的天數中所占比例最大的氣溫。合攏溫度應盡量設置在結構可能達到最低溫度之間，使結構受溫度影響最合理，從而達到最小構件截面減少用鋼量的目的。 確定合攏溫度應充分考慮施工中的不確定因素，預留一定溫度的允許偏差

合攏線應盡量均勻對稱布置，合攏線上的合攏焊縫焊接殘余應力，比普通焊縫的殘余應力大得多，對稱均勻布置合攏線，可以使鋼結構系統應力盡可能的均勻，從而達到控制鋼結構系統初始應力的目的。

合攏工程對環境溫度的具體要求是必須在沒有日照的夜間并且在構件溫度均勻時進行。

4 管桁架鋼結構的卸載

帶有臨時支撐的鋼結構封閉穩定系統，轉換成自承重封閉穩定系統的過程叫卸載。卸載過程的安全隱患較多，監理要特別注意跟蹤控制。

鋼結構安裝完成后，支撐架拆除前，必須對整個結構進行全面檢查，經總包、監理、設計等相關單位驗收通過后方可進行臨時支撐架的拆除，同時，卸載必須有各方審核批準的卸載方案。臨時支撐架的拆除將根據結構在自重作用下的撓度值，采用分級同步卸載，考慮到人工操作，不可避免產生不同步性，結構卸載分多級卸載，每級支撐點卸載位移值要分析計算，卸載過程中，必須做到緩慢卸載，不可一次卸載到位。在臨時支撐點卸載拆除之前，應對結構受力進行驗算，將驗算結果作為結構卸載的理論依據。

對整個鋼結構卸載過程中如發現任何異常必須立即停止卸載，例如:突然的桿件大幅度變形、結構發生異響、支座及節點發生變形等；在卸載操作過程中，必須用全站儀等監測設備對卸載的各個點進行實時監控，確保整個卸載過程穩步、有序、安全的完成，卸載方案中應包括測量監控方案，保留測量記錄；卸載拆除的支撐架必須安全有序的吊裝到地面處，拆除過程中不可隨意拋扔，對部分重要節點處必須任然保留支撐架，觀測整個工程重要節點的變形量。卸載過程中應保持支撐架的穩定，避免支撐架倒塌傷害施工人員。

桁架結構范文第5篇

關鍵字：鋼結構；交錯桁架；樓板；有限元

1、概述

鋼結構交錯桁架體系是一種比較典型的復雜結構，目前，對鋼結構交錯桁架進行整體分析時，要將樓板假定做是剛性樓板，然后進行計算和分析。將樓板假定為剛性樓板是一種近似的處理方式，它和柔性樓板是有區別的。對于混凝土建筑空間結構分析，采用剛性樓板的假定就能夠滿足結構計算結果的精度要求，但是對于鋼結構交錯桁架來說，其樓板的傳力相對于一般建筑結構來說比較特殊，采用剛性樓板的假定時不能保證結構受力會正確反映樓板承受剪力的特點，進而影響整個交錯桁架體系受力分析的精確性。中國工程建設協會推薦制定的《交錯桁架體系技術規范》中推薦的行業標準是利用三維的空間分析方法對交錯桁架結構進行整體計算和分析。

目前，常用的用于交錯桁架結構體系建模計算的有限元軟件有SAP2000、ETABS、ANSYS等，本文結合我國現行的規范《建筑結構荷載規范》、《鋼結構設計規范》、《民用高層鋼結構技術規程》，對某鋼結構交錯桁架結構進行受力分析，與ETABS、PKPM、SAP2000等軟件的計算結果進行比較，分析在鋼結構交錯桁架結構體系進行計算分析時，采用剛性樓板的假定能否滿足結構精度的要求，得出在應用結構分析軟件進行鋼結構交錯桁架結構體系計算時，樓板使用哪種單元模擬更好。

2、工程計算概況

有鋼結構交錯桁架結構體系層高是2.7米，21層，縱向的鋼柱間距是6米，縱向共有12榀桁架，進深為15米，結構的平面圖見下圖1。

荷載取值如下：樓面的活荷載值是2kN/m2，附加的樓面恒載值是1.0kN/m2，屋面的活荷載值是1.5kN/m2，基本風壓值取為0.35kN/m2，場地的抗震設防烈度是6度，地震設計基本加速度值是0.05g，地面粗糙度是B類。設計地震分組是第一組，場地類別是C類。結構為不落地桁架的構造形式的交錯桁架體系，在第一層及頂層沒有桁架的地方分別設置有支撐和吊桿，這樣可以增加樓板和屋面板的剛度和穩定性。

由各個軟件在柔性樓板和剛性樓板下的計算結果可知，交錯桁架結構空腹節間弦桿處的剪力都較小，差別很小，軟件計算的柱子軸力和手算的結果比較接近。就整個結構而言，柱子以承受豎向軸力為主，剪力主要是依靠交錯桁架的斜腹桿來傳遞和承擔，由此，按照力學的平衡原理可以推出桁架結構其他桿的內力相差不大，即鋼結構交錯桁架結構體系在側向荷載作用下，假定樓板為剛性時能夠反映結構的受力特征，滿足結構整體的精度要求。

對于ETABS、PKPM、SAP2000的計算結果，通過對比縱向框架梁的剪力可以看出，ETABS和SAP2000計算得到的縱向框架梁面內剪力有跳躍，說明縱向框架梁上有集中荷載的作用，這說明荷載是按照有限元的方式傳遞的；PKPM的計算結果中縱向框架梁剪力圖是平直的直線，這是把理論計算的結果直接平均到了框架梁上。可見ETABS和SAP2000的傳力方式更加貼近實際、合理。

5、結論

通過對比和分析以上不同軟件、不同計算假定對鋼結構交錯桁架結構體系的計算結果，可以看出，對鋼結構交錯桁架結構體系來說，在計算分析時，假定樓板為剛性樓板是合理的，有限元計算分析時基于空間協調的剛性樓板的假定是滿足計算精度要求的。對于ETABS、PKPM和SAP2000三個計算軟件來說，就鋼結構交錯桁架結構體系的計算分析而言，ETABS和SAP2000的計算結果精度高于PKPM的計算結果。

參考文獻

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[3] GB 50009-2001，建筑結構荷載規范[S]

[4] GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S]