钢结构双向桁架的电算模拟

NO.1 关于双向桁架

案例介绍

【1】在厂房设计中，有时会遇到大跨度重荷载楼面，如下图案例中的粉色填充区域，短跨25.2米。建筑主体为二层钢结构厂房，总高度20米，案例区域为10米标高处的首层顶板。

注：本案例是首层顶的楼面（10米标高），上面还有一层屋面。

【2】活荷载：设备、生产材料、运输工具等综合活荷为10KN/m2。

【3】楼面结构方案：

方案一:门刚。

门刚用于单层或多层钢结构的顶层，荷载不可过大；本案例非顶层，荷载较重，不适合。

方案二：平板网架。

平板网架的边界条件均为铰接，对整体参数不利，不适合。

方案三：普通钢框架，主梁为H型钢梁，次梁为单向H型钢梁。本案例跨度及荷载较大，H型钢梁难以承受（经济性也不好），不适合。

方案四：双向交叉桁架楼面，X向与Y向受力梁均为钢桁架，形成立体受力结构，梁柱节点承受弯矩（上下弦拉压轴力形成力偶），两向受力均匀，主体参数合理，相当于钢结构中的井字梁。本方案即为采用方案。

类似项目实景照片见下图（采自网络）。

【4】关于案例项目所采用的双向桁架：

上、下弦及腹杆均为H型钢。

上弦可铺钢筋桁架板+现浇混凝土板或压型钢板+现浇混凝土板。

腹杆之间可穿管道，局部穿大型风道时可以抽空腹杆。

NO.2 电算模拟

在YJK中实现

【1】双向桁架的整体电算是一个难点。

桁架在YJK或PKPM整体建模中不好模拟。

桁架数量与规格较多，真实建模很麻烦。

最简便的方法是把桁架模拟成为一根H型钢梁，即等代钢梁法。

【2】模拟（等代）的方法，是按等刚度原则，支座根据实际情况模拟为刚、铰、滑动支座。

设计师大多采用挠度相等的原则。

但这种方法不精确，盲目性大；因为在建模时，无法准确估算桁架的挠度与截面。

【3】本文推荐的方法是依据《网架结构设计与施工规程》（以下简称《规程》）第3.1.3条：“交叉梁系差分法可用于跨度在40m以下的由平面桁架系组成的网架或正放四角锥网架的计算”。

即：采用等代钢梁建模，将钢桁架等代为等刚度（抗弯刚度）的钢梁。

注：依据本条，可知由两个方向的平面桁架组成的空间桁架体系（本文中所说的双向桁架）也属于《规程》范畴，且可以以交叉梁系差分法进行计算。

NO.3 操作流程

具体方法

【1】电算整体建模，桁架均以等代的工字钢梁输入，使模型满足各项计算指标要求。

【2】建模时，等代钢梁的高度取值：

按《规程》2.0.10条取为约1/14（混凝土屋面）及约1/18（轻钢屋面）。

注：跨高比数值一定是有条件的，其与荷载条件息息相关。

本例的取值见下表。

【3】确定桁架截面：

电算结果满足指标后，再将电算中的钢梁截面换算成桁架。

换算公式依据《规程》第3.3.1条，正放结构可简化为交叉梁系，梁的折算惯性矩按下式计算：

注：为了使换算方便，模拟钢梁与最终确定的钢桁架高度最好相同。

建议制作换算表格，如下图的excel换算表格（仅为示意）：

注：刚度与自重均应复核，一般来说，桁架的自重要小于等代钢梁的自重。

【4】根据已经确定的桁架截面，提取整体电算的桁架（等代钢梁）内力，用3D3S、STS软件，甚至TSSD软件，复核桁架的内力及挠度，经必要的调整后，形成最终成果。

NO.4 总结

计算、构造

【1】等代模拟时，整体模型按普通钢框架计算，梁柱节点均为刚接，两个方向梁也可以按刚接。

注：当杆件细且长时，刚接与铰接的计算结果相似。

【2】节点（桁架与柱连接节点、桁架间连接节点）：

【3】本篇提出了一个等代钢梁法的模拟思路，谨供参考。