1 绪 论
1.1 概述
在建筑用材料中，钢结构具有独特的优势，其强度高、性能好、重量轻。自1996年以来，我国钢铁产量稳居世界第一，政府推广和鼓励在建筑中使用钢结构，因此使用钢结构的工程越来越多，所用比例也越来越大。近年来，由于很多大型的公共建筑在使用上要求需要更大的空间和跨度，要求的结构体系能够重量轻、受力好、形式多样以及造价低。在这一需求下，钢管结构得到了快速发展,尤其是在大量工程中采用的钢管桁架结构，具有良好的稳定性能和承载力。设计时可以使杆件上只受轴线拉力或压力，截面应力能够均匀分布，这样使材料的作用得到充分发挥，因此结构自重小，受力合理并且经济性好。同时钢管结构还可根据不同建筑物外观的要求构成建筑师所要求的优美外形。所以，钢管结构可以将建筑物的感观要求、功能要求完美地呈现在人们面前，越来越得到人们的青睐，不仅在出现在航站楼、体育馆、展览馆、车站等各种公用建筑中，而且在现代工业厂房中也得到广泛的应用。以下是我院近几年工程项目中建筑设计采用管桁结构的几个实例：图1.1为某电解铝厂的氧化铝输送皮带廊结构，采用了钢管支架和三角形截面的空间管桁结构，支架高度33m，管桁结构为跨度分别为40~55m。
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1.2 管桁架的分类
钢管结构已在建筑中担当各种重要承重结构，如通常在建筑物中看到的钢管柱、钢管桁架、网架等结构形式。与传统的桁架结构相似，结构的杆件在端部相互连接，形成格子式的桁架结构来承受荷载，并采用了圆管、方管以及多边形管等封闭截面空心钢管作为弦杆或腹杆，我们称这种结构为钢管桁架结构（简称管桁结构）。管桁结构通常包括平面结构形式和空间结构形式，主要是根据杆件布置和受力特性的不同来区分的。平面管桁结构为单片桁架，各杆件在同一平面内，平面外刚度弱，为保证结构的平面外稳定需要设置侧向支撑。管桁结构大多采用和Pratt桁架和Warren桁架形式，Warren桁架中布置腹杆与它们节点的数量只有Pratt桁架的一半，这样可以大大地节约材料并减少加工工时。空间结构具有空间管桁结构截面，通常为三角形或多边形，形成了三维空间结构，其三维受力特性可使结构承受更大的荷载。与平面结构相比，空间管桁结构由于扭转刚度大，能够设计出更大的跨度，并且稳定性好、外表美观，在提供较大跨度空间的同时可以不布置平面外支撑。例如，一组三角形桁架等同于一榀空间刚架结构，由于自身的扭转刚度较大，因而侧向稳定性较好，当跨度较小时，可以没有侧向支撑。
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2 空间管桁结构的设计原则
空间钢管桁架可以分别成为梁桁架、柱桁架的形式，并最终组合形成钢管刚架的承重体系。因此，本章将介绍管桁结构的一般计算理论及设计原则。钢管结构应进行强度、刚度及稳定性验算，构件应满足强度、刚度（长细比控制要求）及稳定性要求；桁架和刚架结构应满足结构变形限值的要求。钢管结构宜采用弹性分析方法计算结构内力，采用构件计算长度系数法直接验算构件的稳定性。对于偏心节点的钢管结构，构件承载力校核应考虑偏心产生的弯矩影响，并按偏心受力构件计算其稳定性。
2.1 分析模型
根据杆端弯矩情况及节点刚度的大小不同，管桁结构在计算分析时所采用的分析模型主要有三种[14-22]：1）假设所有杆件均为铰接。当在桁架平面内杆件的节间长度或杆件长度与截面高度（或直径）之比不小于12（主管）或24（支管）时，可以认为杆件细长，其端部约束弯矩不大，忽略杆端弯矩的影响，各杆件均为二力杆，此时节点作为铰接节点。设计时应注意的细节是，尽量保证各个杆件的中心线在节点处交于一点，或者偏心保持在一定的范围内。2）假设所有杆件均为刚接，杆件都按梁单元考虑。该模型能够同时反映由于节点刚性、偏心以及杆件上横向荷载引起的弯矩影响[16]。3）假设主管为刚接梁单元，支管与主管间为铰接，支管只承受轴力。该模型可将主管看作连续杆件而腹杆铰接在距弦杆中心线的+e或-e处（e为主管中心线到支管相交线的距离），主管到交点的连接刚度取得很大。这一模型的优点是，如果需要在主管设计中计入弯矩时，整个桁架的弯矩分布可通过对此模型进行分析而得出[14- 16]。
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2.2 管桁结构的荷载与风载体型系数
结构的永久荷载是指在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载[29]。对管桁结构来说，永久荷载包括结构自重和附于结构上的各种永久荷载（如屋面覆盖材料、马道及其他设备自重等）。1）杆件和节点自重可由计算机程序自动生成。2）屋面覆盖材料自重，可根据屋面构造按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）采用。一般情况下，如采用钢筋混凝土屋面板，其自重取 1.0~1.5kN/m2；采用轻质板或夹芯板材，其自重取 0.3~0.7、1.0~1.5kN/m2（含檩条）。3）马道自重，马道是结构用来悬挂和检修灯具、设备的通道，可按实际情况换算成节点荷载加在结构下弦杆上。4）设备自重，灯具、喷淋等设备的自重可按实际情况换算成节点荷载加在其实际作用的位置上。
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3 钢管刚架结构应用分析实例计算 ......... 18
3.1 工程概况.......... 18
3.2 结构体系及计算分析 ......... 19
3.2.1 结构体系 .... 19
3.2.2 材料 .... 21
3.2.3 设计荷载取值 ...... 21
3.3 计算结构假定与计算分析 .......... 21
3.4 节点设计.......... 24
3.5 本章小结 ........... 27
4 铸钢节点受力分析 .......... 28
4.1 引言 .......... 28
4.2 有限元分析 ....... 28
4.3 铸钢节点的计算分析 ......... 30
4.4 本章小结 ........... 39
5 结论及尚待研究的问题 ......... 40
5.1 结论......... 40
5.2 尚待研究的问题....... 40
4 铸钢节点受力分析
4.1 引言
随着计算机软件开发水平的不断提高，出现了很多用于结构分析的有限元软件，如 ANSYS、ABAQUS、SAP、MAEC、ADINA 等都是现在常用的有限元分析软件，可以对复杂节点的力学状态进行模拟，这为节点力学性能的分析计算提供了一种有效手段。PKPM 在对整体结构进行计算分析时，操作简便，计算速度快，对工程设计起到了重要的辅助作用。但是，PKPM 无法模拟单个节点在多个不同方向力作用下的受力状态，因而无法对节点的安全性提供有力依据。为了能够真实地反映钢管刚架重要节点的受力状态，本章利用有限元分析软件ANSYS，建立了钢管刚架梁、柱桁架相连的铸钢节点模型[23]。将第 3 章利用 PKPM计算出的与铸钢节点相连的各个杆件内力设计值作用于该节点上，通过计算，明确铸钢节点各个位置的应力状态，检验铸钢节点及其与周围杆件的连接部位是否满足设计强度要求。ANSYS 软件是可用于分析结构、流体、磁场、电场、声场以及多物理耦合场的大型通用有限元分析软件。由美国 ANSYS 公司在 20 世纪 70 年代开发。ANSYS 程序具有交互式操作菜单环境，使用者可以更加直观、方便地通过图形交互方式进行有限元分析。ANSYS 软件功能强大，技术、理论成熟，分析结果可靠、直观。其提供的各类单元类型完全可以模拟工程中的各种结构和材料。它可以全面分析结构在各种外荷载条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性，从力学计算、结构分析等方面提出合理完整的解决方案，为土木工程提供了强大而且方便易用的分析手段，成为土木建筑行业 CAE 仿真分析的主流软件。
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结论
本文以 55m 跨铝矿堆场钢管刚架结构为研究对象，利用 PKPM 软件建立了整体结构模型，并进行内力计算分析；同时利用 ANSYS 软件对节点铸钢件进行有限元分析，通过对比分析提出钢管刚架结构设计的合理意见。现归纳如下：
（1）本工程采用了由柱桁架和梁桁架组成的空间钢管刚架结构作为承重结构，其形式简单，虽然结构的跨度、高度较大，但整体结构几何特征好、刚度大，具有良好的承载能力和稳定性。
（2）由结构内力分析结果可知，温度作用对结构的影响作用较小，可以忽略；并且地震作用参与的组合不起控制作用，风荷载作用对结构承载能力起控制作用。
（3）在钢管刚架的节点设计中，相贯节点数量较多，按照规范提供的公式进行计算，支管轴心内力设计值均不超过节点承载力设计值，因此相贯节点强度满足设计要求。铸钢件作为关键节点设计，通过有限元分析发现，钢管与铸钢件连接处较危险，但铸钢件在钢管刚架整体模型荷载作用下满足强度设计要求。
（4）在基础设计时，应充分考虑柱脚处水平推力的作用，防止基础发生侧移破坏。
（5）钢管刚架在工程施工完成后，钢材用量统计见表 5.1。
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参考文献（略）