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浅谈温室桁架及其设计计算

时间:2016/6/14 14:57:00 来源:上海千荟温室工程技术有限公司 阅读数:1174

  桁架作为一种材料消耗较少的结构件,在大跨度温室中得到了广泛的使用。本文结合温室的实际设计过程,介绍桁架在设计计算过程中的相关注意事项,供相关专业设计人员参考。

  一、桁架的种类及特性

  桁架是由直杆通过焊接、铆接或螺栓连接而成的、具有相邻三角形单元的平面或空间结构。由于直杆仅承受轴向拉力或压力,从而能充分利用材料的强度,在跨度较大时相较实腹梁能节省大量材料,减轻结构重量。

  从外形上区分,常用桁架可分为三角桁架、梯形桁架、平行弦桁架等几何类型。其中平行弦桁架因为组成零件规格较少,制造简单,在温室行业使用较为普遍。

  温室用平行弦桁架通常由上下弦杆、直腹杆、斜腹杆、端板组成,各构件之间采用焊接相连。根据斜腹杆的布置方式不同,平行弦桁架又可以分为人字式、单向斜杆式(豪式)两种类型,如下图所示。

图一 平行弦桁架的两种类型

  其中,人字式斜腹杆桁架所用腹杆数量、总长度较小,相应节点数量也少,可以减少制造成本及焊接工作量,但受拉、受压斜腹杆长度相等,结构上不尽合理;同时,弦杆节间长度较大,当弦杆吊挂荷载较大(例如瓜果类种植)时,需要提高弦杆抗弯能力;与之相对应,单向斜杆式桁架杆件数量较多,材料用量、加工量较大,但受压的直腹杆长度较小,弦杆结间距同样较小,在较大吊挂荷载下材料性能能可得到更好的发挥。设计过程中应根据桁架荷载状况综合考虑,选择最优结构方案。为简便起见,以下仅就人字式腹杆平行弦桁架进行讨论。

  二、桁架设计注意事项

  1.桁架的计算应该在与立柱组成的组合结构中进行

  早期桁架计算多参考力学计算手册、采用手工方式进行。为减少计算工作量,往往将桁架作为一个独立部件进行计算,不考虑立柱对桁架的影响,最终通过提高结构安全系数来解决计算误差问题。在目前的技术环境下,各种结构计算软件的使用已经非常普遍,桁架的精确组合计算变得非常简单。以下是特定规格的同一桁架的三种不同组合状态,以及对应状态下的杆件轴力图、轴力汇总表(桁架荷载包括上弦均布垂直、上弦中点集中垂直荷载),荷载值采用有限元结构计算软件进行计算。

图二 独立桁架受力图

图三 独立桁架杆件轴力图

图四 单跨桁架-立柱组件受力图

图五 单跨桁架-立柱组件杆件内力图

图六 双跨桁架-立柱组件受力图

图七 双跨桁架-立柱组件杆件内力图

表一 垂直荷载作用下桁架杆件轴力(单位:kN)

组合状态

上弦
左端

下弦
左端

上弦中

下弦中

上弦
右端

下弦
右端

腹杆最大拉力

腹杆最大压力

独立桁架

16.6

-21.4

-14.9

18.1

16.6

-21.4

8.1

8.1

单跨立柱-桁架组合

-4.1

-0.8

-35.7

38.6

-4.1

-0.8

8.1

8.1

双跨立柱-桁架组合

-2.9

-0.3

-22.3

23.8

24.3

-30.6

10.4

10.6

  比较表一相关数据可以发现,在不同的组合状态下,上、下弦杆不同位置点的轴力不仅大小变化显著,甚至多个杆件所受力的性质(拉、压)也发生了变化。这种变化除影响杆件截面的选择外,对桁架与立柱的连接点的结构设计也会产生较大的影响。

  例如,多跨桁架上、下弦杆最大轴力段位于桁架两端,弦杆与桁架端板的焊接结构需要重点设计以满足强度要求,桁架端板的厚度也需保证端板局部的抗弯强度;桁架与立柱连接用螺栓可能需要采用高强度等级产品,否则可能因相邻桁架之间拉力过大而导致连接件损坏。

  2.桁架的使用对温室立柱提出了更高的要求

  桁架因为垂直承载面积较大,由桁架转移到立柱上的垂直荷载也较大,对立柱材料截面积的调整不会成为问题。但是,因为温室结构的特殊性,垂直荷载往往较小,对立柱的要求更多地受制于水平荷载,即风载的作用。桁架的使用会对立柱水平承载能力(抗弯能力)带来更大的影响,而这个影响往往会被低估,造成立柱在极端荷载条件下强度超限。

  图八是特定规格的立柱在不使用桁架(立柱之间采用水平拉杆连接)时受风载作用的受力图及弯矩图;图九是同规格立柱使用桁架连接时同样风载作用下的受力图,图十是对应的组合结构弯矩图。

  比较两种连接状态下的立柱受力图,立柱最大弯矩由图八的4.16kN.m上升到图十的13.55,后者是前者的3.26倍;如果立柱采用同等壁厚的圆管,为保证特定荷载条件下达到等强度效果,后者单位长度重量约为前者的1.8倍,这将使得立柱用料大幅度增加。

图八 独立立柱受力图

图九 立柱桁架组件受力图

图十 立柱桁架组件弯矩图

此外,立柱最大弯矩的作用位置由立柱的长度中点转移到了桁架下弦与立柱的连接点。该点通常需开孔以用于立柱桁架的连接,且孔径较大。开孔对该点结构强度造成较大的削弱。以常用立柱材料矩形管100*50*2.5为例,同样弯矩作用条件下,在50宽度表面上加工直径18的对穿孔,考虑应力集中效应时,开孔处应力为原值的2.3倍。

为降低开孔带来的负面影响,可在开孔处追加补强钢板,或变更连接形式。图十一~图十三是常用结点、补强结点和无立柱孔结点示意图。

图十 一

图十二

图十三

  计算结果显示采用,采用图十二的方法(追加补强钢板),开孔处应力仅上升10%左右;图十三所示的变更形式因不需要在立柱上开孔,对立柱强度无影响。

  3.其他

  a、桁架结构因自身重量较大,且温室建造地往往无法使用起重机械,需考虑人工起吊时的作业便捷性。如图十四所示,在立柱上焊接桁架止动板,可在在桁架与立柱的空中组装过程中承载桁架自重,减轻工人劳动强度,提高作业安全性。

图十四 桁架止动板

图十五 绕度补偿

  b、为便于制造,温室用桁架多采用中间无起拱结构,安装于大跨度桁架上的支立柱因桁架在固定荷载作用下的绕度而出现下沉现象,导致整列天沟产生中间高度低于山墙处高度的现象,形成天沟积水,加速天沟的腐蚀。为此,需对支立柱的高度进行加长以补偿其下降量,如图十五所示。补偿量Δ以不小于桁架在固定荷载下的绕度为限。

  c、无遮阳保温装置及生长架荷载的塑料薄膜温室因自身结构重量较轻,在风荷载作用下,桁架在天沟结点所受垂直力极有可能是上拔力,且数值较大。因此,桁架结构需具有抵抗垂直双向荷载能力。

  d、桁架结构的使用使得温室立柱数量减少,当桁架上出现向上的垂直荷载时,每一根立柱所受的上拔力较大,立柱基础的抗拔出能力需重点校核。特别是安装有柱间支撑结构的立柱,其基础抗拔能力还需要抵抗斜拉筋张力的垂直分量,更需要慎重。

  e、当桁架跨度较大时,为便于制造及运输,可将桁架分段制造、现场拼接为整体。桁架的拼接结点设计需保证其可调节性,建议采用摩擦型高强度螺栓结点。因所有构件为镀锌结构,连接计算时摩擦面抗滑移系数可取0.17①。现场拼接应特别注意清除摩擦面杂物(锌瘤、油污、泥沙等),并保证螺栓拧紧扭矩值。

  注1:镀锌处理对高强度螺栓扭矩系数和抗滑移系数的影响,彭驿亮,钢结构 2012年第8期 第27卷

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