浅析空间钢管桁架结构在大跨度栈桥工程中的应用

浅析空间钢管桁架结构在大跨度栈桥工程中的应用

摘要：传统的型钢钢桁架跨度无法满足栈桥大跨度设计要求。通过采用空间钢管桁架形式可以实现栈桥大跨度要求，并可解决栈桥上行人时产生有较强颤动感的问题，获得了良好的经济效果及业主的好评。文中对该结构形式进行了三维模型计算，并对重要节点进行了有限元分析，论证了该结构的可行性和合理性。该结构形式具有一定的推广意义。

关键词：栈桥;空间钢管桁架结构;可行性分析 传统的栈桥通常采用角钢或槽钢型钢桁架，经济跨度一般为30m，设计最大跨度不宜超过50m。且跨度较大时，人在栈桥上行走会有较强的颤动感（尤其是楼面采用钢骨架轻型板时）。因此，传统的栈桥结构形式已经不能满足大跨度工程的设计要求。空间钢管桁架结构以其简洁、美观的视觉效果及最大的截面刚度，广泛应用于工业厂房、储煤场、体育场、飞机场等大跨度空间结构[1]。该结构形式如能运用到栈桥中将能很好的解决栈桥颤动问题，并能够实现栈桥的大跨度。

1 空间钢管桁架结构栈桥可行性分析

山西某煤矿，由于受到场地条件限制及建筑外观要求，主斜井井口房至原煤筛分站带式输送机栈桥跨度达到61.900m，而传统的型钢钢桁架跨度已无法满足设计要求。本文结合该煤矿栈桥工程对空间钢管桁架结构栈桥进行了计算分析及节点的有限元模拟，并论证了该结构的可行性和合理性。

1）三维模型计算

传统的型钢钢桁架结构通常采用PKPM软件中STS模块计算，将一榀桁架进行平面受力计算，杆件的应力比控制在0.85左右，余下0.15倍的承载力用来抵抗计算模型中未计入的平面外地震作用和风荷载。空间钢管桁架结构通过MIDAS和MSTCAD三维模型计算，能够在工况组合中加入地震作用和风荷载，使结构模型受力形式更接近真实情况，更好的体现了空间结构的整体性能。

2） 空间相贯节点有限元分析

空间钢管桁架结构采用相贯节点，免了难于刷漆和积留灰尘的死角，便于维护。空间相贯节点是指处于不同平面的多根钢管通过相贯焊接的形式连接在一起而形成的钢管结构，是空间钢管桁架结构最主要的节点构造形式，具有构造简捷、受力合理、施工方便等优点。

然而由于空间节点的应力状况非常复杂，很难通过理论方法精确地计算空间相贯节点的极限承载力，现行规范GB 50017―2003《钢结构设计规范》仅给出了空间KK型相贯节点承载力计算公式[2]，而本工程中采用的KKYT和KKY型相贯节点规范中未给出承载力计算公式。

本工程采用有限元分析方法对KKYT型空间相贯节点承载力进行研究分析。并论证了该节点的可行性和合理性。

图1KKYT型有限元模型

以下弦杆端部节点为研究对象，采用MIDAS FEA软件中的壳单元对空间相贯节点进行有限元分析（如图1所示）。计算中忽略焊缝以及残余应力影响。有限元分析中所用材料为Q345B钢材，轴向力为结构整体模型在最不利工况下计算的杆件设计值。计算得出的Von Mises应力云图如2所示，节点处的应力最大值出现在主管侧壁上和支管间搭接位置处。最大应力未超过钢管的屈服应力。

图2 Von Mises 应力云图

3）支座形式的改进

传统的型钢钢桁架结构支座一端采用滑动支座，另一端采用铰接支座，本工程采用了变形能力和抗震性能更好的橡胶支座。

2经济参数与栈桥形式的选择

用钢量是栈桥项目的主要经济数据，为对比空间钢管结构栈桥与传统型钢结构栈桥的经济效益，本文对我院近年来相关工程用钢量进行了整理对比，对比结果见图3。

图3用钢量对比图

根据对比分析，得出以下结论：

1）传统型钢结构栈桥经济跨度为30m;

2）钢管结构栈桥用量随结构跨度增大而线性增长；

3）当栈桥跨度大于40m时，采用空间钢管结构能取得较好的经济效果。

3空间钢管桁架结构栈桥优越性

1） 传统的栈桥通常采用角钢或槽钢型钢桁架，由于普通型钢截面是单轴对称，且多数情况下桁架杆件是由刚度（长细比或稳定性）起控制作用。而在型钢截面面积相等的条件下，钢管截面的回转半径最大，约为双角钢的1.6~1.9倍，双槽钢的2.1~2.4倍。也就意味着在强度相等的状况下，钢管杆件刚度最大。由于空间钢管桁架结构截面刚度较大，能够发挥钢材质量轻刚度大的优点，采用Q345B钢材，起到节能降耗的作用。

2）空间钢管桁架结构采用相贯节点，免了难于刷漆或积留灰尘的死角，便于维护。

3）构造简捷、受力合理，施工速度快。

4）易塑性强，可以设计成有一定弧线形式的栈桥，增加栈桥流畅、简洁、美观的视觉效果。

4 结论 1）空间钢管桁架形式能够实现栈桥超大跨度的要求，该结构形式刚度较大，能够有效解决因栈桥刚度不足而产生的颤动问题。

2）空间钢管桁架结构通过三维模型计算，在工况组合中能够更好地体现风荷载和地震作用力对结构的影响，使结构模型受力形式更接近真实情况，更好的体现了空间结构的整体性能。

3）空间钢管结构应尽量避免同一个节点处连接多根钢管，且支管之间宜避免相互搭接，减少节点处应力集中。

4）结合国内外研究文件及钢结构规范中钢管KK相贯节点的相关规定，KKTY节点中支管的设计值不宜大于主管承载力的60%。

5）栈桥跨度较大时，栈桥两端宜采用橡胶支座。

参考文献

[1] 董石麟, 罗尧治, 赵阳等. 大跨度空间结构的工程实践与学科发展[J] .

空间结构, 2005,12.

[2] GB50017-2003，《钢结构设计规范》[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.