空间桁架式筒仓平台研究方法概述

　　筒仓结构是一种用于储存散装物料的特种结构[1]。近年来，我国矿山建设得到大力发展，原落地式储煤仓的直径逐渐呈增大趋势。但这给现代筒仓施工带来了较多困难,例如跨度过大、荷载过重、高度过高等,其主要施工难点是仓壁和仓顶施工时支撑体系的安全可靠性。对于大型筒仓的施工，该领域的一个新的研究方向是筒仓滑模施工操作平台，即在高空搭设施工钢平台，然后在钢平台上搭设模板支架。

　　2 钢桁架概述

　　目前,筒仓滑模施工操作平台支承系统有两大类[2],一类是刚性支承系统,其中又有由中心筒及辐射布置的桁架结构组成的“轮毂式”支承系统及由主副桁架、主副梁组成的紧贴内圈布置的多连形支承系统;另一类是柔性支承系统,使用悬索结构的支承系统。所以说，空间桁架式筒仓平台也逐渐应用在实际工程中。

　　2.1 桁架的分类

　　桁架结构中的桁架指的是桁架梁，是格构化的一种梁式结构。按结构的形状和受力特点，钢桁架主要分为平面桁架和空间桁架两类;按杆件的截面类型分类，主要有双角钢桁架、管桁架、H型钢组合桁架、T型钢桁架等形式。

　　2.2 桁架节点的设计原则

　　在钢桁架体系设计工作中，节点的连接设计是相当重要的一个环节[3]。钢桁架的节点连接一般采用焊接、螺栓连接、铆钉连接和混合连接。在确定连接节点的构造形式及其连接时，要遵循以下原则：

　　在节点处内力传递简捷，安全可靠;

　　确保连接节点有足够的强度和刚度;

　　当有地震设防时，节点的承载力应大于杆件的承载力;

　　节点加工简单、施工安装方便;

　　符合经济、可靠的原则。

　　3 空间钢桁架的主要研究方法

　　空间桁架的性能研究主要包括应力应变分析、破坏机理分析、弹塑性行为、节点及整体性能研究等。研究方法主要包括两类，即试验研究和数值模拟研究方法。另外，国内外规范标准中也有相关的计算方法。

　　3.1试验研究

　　现场荷载试验是目前对空间桁架结构工作性能进行科学研究、鉴定评价的一种较为直观的试验研究方法。荷载试验方法可分为两类:(拟)静力试验和(拟)动力试验。

　　3.1.1 (拟)静载试验研究

　　静载试验是目前在现场荷载试验中主要采用的一种方法,通常采用液压伺服机或千斤顶进行加载，而测试内容一般包括应力应变、挠度和裂缝。

　　Cheng通过试验研究了节点板在往复加载作用下的受力性能，并根据试验结果提出了相应的设计方法。这对于钢桁架节点及节点板的设计提供了依据。岳健广[4]通过对一个典型的H型钢空间桁架结构单元进行拟静力试验，以研究其抗震性能。他总结了空间桁架子结构的主要破坏模式，同时结合工程实际，提出了空间钢桁架结构内力计算模型，及有关节点域设计的初步建议。

　　3.1.2 (拟)动载试验研究

　　动载试验相对较少，主要是限于试验条件的原因，而大多数动力性能的研究都是结合有限元分析的方法。拟动力试验方法可以模拟大型复杂结构的地震反应，故在抗震试验方面得到了广泛应用。

　　试验研究是一种较好的方法，可以较容易的获得数据和观察现象。但是，试验很难完全模拟实际工程的荷载条件，尤其是局部节点类型的试验。所以说，大量试验并不能完全覆盖工程的全部节点形式，尤其是很多新型的节点。另外，大多的试验都是采用缩比试件，这样就不能完全体现桁架整体及节点的实际受力以及破坏情况，使得实验数据存在一定的偏差。

　　3.2数值模拟研究

　　由于试验研究存在上述局限性，故采用合理的假定模型以及有限元软件进行数值模拟分析，对于桁架的研究具有十分重要的意义。在数值模拟研究中，研究方法主要包括两方面，即通过改变参数对结构性能进行研究和采用模型对实际结构、构件或节点进行模拟，以解其实际性能。

　　3.2.1 参数改变研究

　　孙必祥[5]采用有限元软件ANSYS建立有限元模型对T型钢桁架上、下弦节点进行非线性分析。针对不同的弦杆内力和节点板厚，分析节点的塑性发展特征和破坏规律，然后以分析结果为基础，提出了节点板应力的计算公式，并且发现该公式能很好的用于节点设计。文献[6]利用有限元软件ANSYS，建立H型钢桁架整体结构的计算模型，采用不同的参数对桁架结构进行了结构动力分析，主要包括模态分析、地震作用分析等，最终得到结构的应力及变形时程结果。

　　3.2.2 实际模型分析研究

　　在某高空大跨度钢筋混凝土结构施工的钢桁架支模平台中[7]，钢桁架是采用3D3S钢结构设计软件进行设计，PKPM验算。为保证结构安全，采用空间有限元分析软件MIDAS进行分析复核。有限元分析结果显示，该工程空间钢桁架承重平台能够满足强度和刚度的需求。黄琨[8]用ANSYS对构造连接和受力情况较为复杂并且空间作用明显的十字交叉钢桁架子单元的试件节点进行了数值分析。结果表明，有限元分析结果能够较好的反映节点域的受力状况，而且试件最终破坏形态与试验时的破坏形态基本吻合。

　　以上例子表明，有限元计算结果对分析空间桁架性能有一定的参考价值。相对试验研究而言，有限元分析方法可以模拟非常复杂的结构形式以及边界条件，而且对于结构的静力、动力问题以及线性、非线性问题都十分适用。但是，不同有限元模型之间可能存在较大误差，需要有试验的验证;另外，节点模型的边界条件和节点在整体结构模型的边界条件可能差异较大。因此有限元方法在应用中也有其局限性。

　　3.3规范中的相关计算方法

　　对于空间桁架典型构件和节点，规范中有相关的计算公式。例如连接节点板件的强度，我国规范推荐使用撕裂面法，但考虑到桁架节点板的外形往往不规则，加之一些受动力荷载的桁架需要计算节点板的疲劳，故参照国外的经验，建议对桁架节点板可采用有效宽度法进行承载力计算，具体公式可参照规范。

　　4 结论

　　空间桁架的设计和研究可采用相关的计算公式，同时结合试验和数值模拟这两种方法。通过试验对桁架节点及整体性能进行分析，结合有限元模拟，并提出相应的计算公式。通过本文，希望能为空间桁架式筒仓施工平台设计方法的选择上提供一些参考。

　　【参考文献】

　　[l] 钢筋混凝土筒仓设计规范, GB50077一2003. 北京:中国计划出版社, 2003.

　　[2] 李秀华. 粮食筒仓建设施工技术[J]. 山西建筑, 2006.

　　[3] 李星荣等.钢结构连接节点设计手册[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2005.

　　[4] 岳健广. H型钢空间桁架节点抗震性能试验研究[D]. 西安建筑科技大学, 2008.

　　[5] 孙必祥. 单角钢连接节点板受压性能及极限承载力分析[D]. 重庆大学, 2008.

　　[6] 陈永生. H型钢桁架结构设计计算及优化分析[D]. 天津大学, 2007.

　　[7] 韩素龙. 高空大跨度钢筋混凝土结构施工的钢桁架支模平台设计与安装[J]. 建筑施工, 2010.