民用钢桁架也是简支体系,一端铰接,另一端在两侧塔架上滑动。因此,滑动端位移的确定是一个重点,体现在两塔相对变形上。计算塔架相应楼层的弹塑性层间位移。对于多层均匀框架结构和单层厂房,可采用[自抗规范5.5.4]中弹塑性位移的简化计算方法;对于高层/超高层建筑,需采用推覆、弹塑性时程分析等方法计算弹塑性层间位移。最不利情况:左、右塔振型不同,如左塔向左移动100mm,右塔向右移动100mm,要完全覆盖这个相对变形,需要在牛腿一侧移动200mm。
由于民用钢桁架自重远大于工业钢桁架(采用重型混凝土楼板),其地震力是一个值得关注的问题。水平地震力全部由铰接端承担。设计中存在一个误区:只考虑钢桁架一半的质量来计算地震力,对铰接端进行设计。正确的做法是:永久活荷载按一半质量计算,地震力计算时应将整体质量纳入,即把另一半质量作为附加质量,这也是符合实际情况的。地震力由铰接端承担,所以计入整体质量,竖向荷载分别由铰接端和滑动支座承担。
2. 结构布局
当钢桁架不少于一层时,将滑动端直接搭在牛腿上,只用一个牛腿来承受桁架的垂直力。虽然力会比较大,但是由于没有水平力,所以牛腿一般都可以计算,力的作用高度和传递路径也减少了。与将各层桁架的垂直力分别传递到各层的牛腿上(每层都要设置牛腿)相比,虽然均匀分布后牛腿上受力会比较小,但是施工时会很麻烦。一般通廊都是整体组装吊装,特别是每层的桁架要刚好接触到每层的牛腿。施工要求精度高,如果做不好,就可能使某一层的桁架和牛腿悬空。
本例钢桁架共两层,高度由建筑物确定,楼面一般为组合楼面,厚度最小为120mm,最大跨度不大于3m。布置次梁(水平桁架竖腹板)时,注意净空要求。铰接边直接与塔筒钢柱连接(铰接),中间斜腹板采用斜拉杆(实心圆钢杆),截面小巧美观。直接利用楼面标高和支座处估算高度计算,后期再调整。
对于工业钢桁架来说,上弦水平桁架的水平力是通过水平支撑来传递的,而民用钢桁架一般都有楼板,因此可以通过楼板来传递水平力,当然最好设置水平支撑。
3. 垂直桁架STS建模计算
1.弦荷载计算
桁架层高4m,宽8.8m,实际上荷载是通过竖向腹杆传递到弦杆节点的钢结构斜拉杆,而不是直接以线性荷载作用在弦杆上,这是一个简单的计算。
①楼面自重=考虑楼板自重+钢桁架自重+面层+吊顶自重,屋面略加1~1.5kN/m2。例:25*0.12+1+20*0.05+1=6,中下弦线荷载=6*8.8/2=26.4kN/m,上弦=7.5*4.4=33kN/m
②外立面恒力荷载(以幕墙为例),上下弦为半层,中弦为一层。例:幕墙取较大值2kN/m2,中弦线荷载=2*4=8kN/m,上下弦=2*2=4kN/m。
总恒载:下弦线荷载=26.4+4=30kN/m,中弦线荷载=26.4+8=34kN/m,上弦线荷载=33+4=37kN/m
③活荷载:楼面3.5kN/m2,3.5*4.4=15.4=16kN/m,无人屋顶0.5kN/m2,0.5*4.4=2.2kN/m
2. 组件布局
首先根据经验选择构件截面,钢拉杆至少应为Q345,并布置为单根拉杆。竖向腹板截面应小于弦杆,否则结构无法焊接。对于H型钢桁架,受压构件和弯曲构件必须满足S2级要求。
钢拉杆有规范【GB/T20934-2007钢拉杆】,钢拉杆强度等级有345/460/550/650,其中只有345满足20%伸长率的要求,一般主体结构采用345,不采用高强度的,部分辅助结构可以采用高强度的,减小截面尺寸。对于钢拉杆的应力等级,【JGJ257索结构技术规范5.6.1、CECS212预应力钢结构技术规范3.3.1】中有相关规定,应力等级不宜超过0.5,一般设计院做法是不超过0.4,满足高承载力、低延性。另外,这里的极限抗拉强度(断裂力)是极限抗拉强度。由于高强度钢的屈服强度不明显,因此采用极限强度来衡量。
UU型表示钢拉杆为U型,节点处焊接的耳板为单块板。OO型表示钢拉杆为O型,节点处焊接的耳板为两块板。安装时将钢拉杆插入两块耳板之间,用销轴连接。一般情况下UU型比较常用,OO型不便于安装,其他型号还有很多。在钢拉杆与耳板之间放置两块钢环板,起加固填充间隙的作用(例如耳板只有40mm厚,选用杆径90mm的UU型钢拉杆,端部U型净距为82mm,由厂家确定,然后给施工单位留10mm的安装间隙,即72mm-40mm=32mm,所以两边各有16mm的钢环板)。销轴连接好后,将钢圈板焊接到耳板上,凡能焊接的地方都焊接。
3. 约束与支撑设置
钢拉杆(销轴连接)两端必须铰接,弦杆不脱节,桁架铰接一端弦杆与塔柱铰接。其余H型钢应设置为刚接,并按[钢标准8.5.2]考虑刚接引起的二次弯矩。滑动支座设置为滑动铰接。这里的“滑动”只能滑动,不能转动,所以在杆端设置铰接钢结构斜拉杆,使支座既能“滑动”,又能“转动”。
4.计算长度
桁架计算长度应按照[钢结构标准7.4]设定。对于刚性连接的垂直腹板和弦杆,STS 可以考虑刚性连接的影响以减少计算长度。特别注意垂直腹板。如果弦杆上有楼板,则无需考虑稳定性问题。
5. 其他
1. 次梁计算
①初始截面高度为1/15~1/20L,可取450/500左右,梁宽可取200,翼缘厚度可取10,满足局部稳定的宽厚比要求。
②荷载值可按楼面荷载,恒载取6,活载取3.5。本例中为了减小楼板跨度,设置了附加次梁,因此次梁的荷载面积为2.2*8.8,其中8.8为次梁跨度。
③STS参数设置:允许挠度为1/250,型板宽厚比为S3。由于次梁两端铰接,且为静定结构,因此无需考虑其塑性承载力。
2. 连接节点
①桁架铰接端:铰接端仅采用螺栓连接腹板,不连接翼缘,螺栓根据杆件计算确定。
②销节点计算:【钢标准11.6】
(1)结构【钢标准11.6.2】
(2)耳板【钢标11.6.3】
(3)销钉【钢标准11.6.4】
6.3d3s建模计算
端部的刚架/框架虽然是单跨双层结构,但审核中可能会提到是单层结构。因此,此处需要加强和保守,增加角撑等。
7.MIDAS建模计算
midas模型可以通过3d3s导入,导入后检查截面,荷载等,一般都没问题。如图所示,第1振型扭转分量比较大,桁架两端虽然质量分布相同,但是约束不同,铰接端约束强,滑动端约束弱,导致两端刚度不对称。所以正常设计时会在1/3跨度位置增加一些角撑。
规范对桁架结构没有任何变形要求,控制正常使用的极限状态即可。
以上是我个人的理解,有问题请指正!