《设备管理与维修》架空热力管道特殊跨越桁架设计探讨

　　《设备管理与维修》杂志创刊于1980年，是跨行业并直接为企业设备管理、维修、改造和节能、环保服务的综合性信息型技术刊物。多年来杂志取得了良好的社会效益和经济效益，受到上级主管部门和广大读者的好评。
　　摘要：架空热力管道在遇到过河、过街等特殊跨越时经常会用到钢桁架结构。钢桁架由于质量轻、抗震性能好、可跨越的距离大，在热力管网的特殊跨越中得到广泛应用。文章通过对桁架结构的分析，提出了桁架结构设计的优化方案。

　　关键词：架空热力管道,钢桁架,纵向受力桁架,水平支撑桁架,特殊跨越桁架

　　架空热力管道在遇到过河、过街等特殊跨越时经常会用到钢桁架结构。钢桁架由于质量轻、抗震性能好、可跨越的距离大，在热力管网的特殊跨越中得到广泛应用。本人针对钢桁架在施工图设计及现场安装过程中常常遇到的情况及问题做了以下总结。

　　1 特殊跨越桁架的结构体系

　　特殊跨越桁架结构实际上是一个空间结构体系，它通常由两榀纵向受力桁架和上弦、下弦水平支撑系统

　　构成。

　　纵向受力桁架由上弦杆、下弦杆和及腹杆组成，承受顶部和底部横梁传来的竖向荷载。上弦杆和下弦杆是能够拼接的连续杆。腹杆通过节点板与上下弦连接。桁架的上弦杆、下弦杆及腹杆一般采用H型钢、槽钢或角钢背靠背设置，跨度大时也常采用钢管。节点分格通常按照等分原则按偶数划分，间距在2.2～2.5米左右。桁架上下弦杆和腹杆之间的角度一般控制在35°～55°。

　　上下弦水平支撑桁架通过水平支撑及横梁连接，形成水平方向桁架，传递水平荷载。水平支撑应采用交叉型腹杆，可以更好地承受侧向传来的水平荷载，交叉腹杆的角度通常控制在40°～50°比较合适。

　　纵向桁架和水平桁架共同组成空间受力体系。因为在特殊跨越桁架的内部要考虑支撑管道和供工作人员检修和通行，无法设置交叉支撑，所以这个空间桁架是可变体系。为了防止风荷载作用下上、下弦水平桁架产生错动，保证横向刚度和侧向稳定，在桁架的端部应设置门型封闭刚架。此刚架作为上弦和下弦水平支撑桁架的支点，将传来的水平力传给支座。

　　2 特殊跨越桁架构件设计

　　2.1 纵向受力桁架构件设计

　　纵向受力桁架构件通常采用型钢或钢管，因为纵向受力桁架与平面外水平支撑桁架的分格是一样的，不妨将其平面内外的计算长度取相同值，均为0.9L，L为腹杆。除了在端部和有支点的位置采用封闭刚架的杆件兼做直腹杆之外，其他部位均按照纵向受力桁架的计算内力进行设计。在计算桁架上弦杆和下弦杆的设计内力时注意，不仅要考虑受力桁架的计算结果，尚应将上弦、下弦水平支撑桁架在风荷载作用下产生的最不利内力叠加进去。

　　2.2 水平支撑桁架构件设计

　　水平支撑桁架的上弦杆、下弦杆和纵向受力桁架的设计方法是一样的，根据水平支撑桁架的计算结果设置交叉腹杆，交叉腹杆应按受拉杆件设计;竖直腹杆的轴力，除了在端部和有支点的位置采用封闭刚架的杆件兼做直腹杆之外，其他部位均按照水平支撑桁架的计算内力进行设计。同时，还要将直接承受管道荷载所产生的弯矩和剪力加上，并按压弯构件计算。为了提高构件的抗弯能力，水平支撑桁架的直腹杆宜选用工字钢或

　　钢管。

　　2.3 封闭刚架构件设计

　　端部门型封闭刚架的构件可按框架进行内力计算，并按压弯构件设计。横梁和钢立柱通常采用工字钢、H型钢或大直径钢管，构件的平面外计算长度可以以构件的几何长度取值。底部支承桁架的柱可以采用钢柱或混凝土柱，柱脚在平面内外均应做成刚接。通常情况下，为避免特殊跨越桁架在地震或其他偶然荷载作用下，沿纵向伸缩时产生的对于支承柱的附加弯矩或产生的位移差引起的破坏，可将特殊跨越桁架的支座一端做成固定铰支座(支座开圆孔)，另一端做成可沿桁架纵向自由滑动的支座(开长圆孔)。这样可使桁架对其下部支承柱在平面外几乎没有约束作用，该柱在平面外的计算长度可按悬臂柱计算，取2.0L。

　　3 用正确计算模型分析纵向桁架

　　在应用PKPM软件进行钢桁架设计计算时，应注意以下六点：(1)桁架结构杆件的选用。桁架结构的计算模型为一边简支、一边固定。在模型输入时应将桁架所有的节点包括支座杆件全部设置为“铰”，所有构件均为铰接构件，否则计算出的内力是不准确的;(2)在桁架结构模型中选用杆件时，所有杆件均应设置为柱，没有梁，所有的荷载(包括作用上弦杆、下弦杆上的竖向荷载、水平荷载、风荷载等)应全部作用在节点位置，不能加在柱上;(3)计算时，上弦杆和下弦杆平面内的计算长度系数通常取-1，平面外计算长度按照水平支撑间距的大小来取值;(4)根据规范《钢结构设计规范(GB50017-2003)》第8.4.5条规定，分析桁架杆件内力时，可将节点视为铰接。当桁架杆件为H形、箱形等刚度较大的截面，且在桁架平面内的杆件截面高度与其几何长度(节点中心间的距离)之比大于1/10(对弦杆)或大于1/15(对腹杆)时，应考虑节点刚性所引起的次弯矩;(5)在计算中，在总信息参数中，钢柱计算长度系数计算方法项应勾选无侧移桁架的计算方法;(6)地震作用的计算：计算原则符合下列条件的支承结构，可不进行抗震验算，但应采取抗震措施。6度区;7度硬、中场地时钢支承结构;7度或8度硬、中硬场地和9度硬场地土的钢支承结构。其他桁架支承结构，应按主轴方向(纵向与横向)分别计算地震作用。地震烈度8度、9度，跨度≥24m的桁架应计算竖向地震作用。9度时，尚应考虑竖向地震作用与水平地震作用的不利组合。

　　4 桁架的杆件截面的优化设计

　　目前，在钢桁架的设计中，其杆件普遍采用角钢、槽钢或工字钢，它们都是单轴对称，在计算时大多需要设计人员手工复核杆件平面外强度和稳定;采用型钢的桁架在节点处的设计和安装也比较复杂，为了计算简便和方便施工，设计时通常在同一个单元内的杆件会选用同样的截面，也造成了一定的浪费。在桁架设计中可以用方钢管或圆钢管桁架代替传统的型钢桁架，主要有以下三个方面的优势：(1)钢管管壁比较薄，回转半径大，对称截面使得截面材料绕中和轴分布的非常均匀，具有非常好的抗压和抗弯扭性能及较大的刚度和较好的稳定性。闭合的截面与有局部悬挑板件的开口截面(H型钢、工字型钢)相比，结构整体性好，扭转刚度大，承载能力好，更能充分发挥材料性能;(2)在相同截面积的情况下，钢管的表面积较小，与空气的接触面积也较小，同时钢管的两端通常都是封闭的，这样就避免了钢管内部生锈的问题，减少了防腐防火涂料的涂刷面积。而且比开口截面更容易清洁、油漆，维护更为简便;(3)钢管外表美观，制作简单、加工便利、安装容易。

　　综合以上优点可见，钢管结构在钢桁架结构形式中可以作为优先选用的基本结构形式之一。

　　5 结语

　　本文通过对架空热力管道钢桁架结构体系、结构计算方法的分析，指出在特殊跨越桁架设计中应注意的问题，并提出了相应的优化措施，希望能对此类工程的设计提供一点借鉴。

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