MIDAS Gen在立体桁架设计中的应用*

冯 双， 章代林

(1.江苏华威龙玖环保科技有限公司， 江苏 南京 211100；

2.马鞍山建设工程施工图设计文件审查中心， 安徽 马鞍山 243000)

MIDAS Gen在立体桁架设计中的应用*

冯 双1， 章代林2

(1.江苏华威龙玖环保科技有限公司， 江苏 南京 211100；

2.马鞍山建设工程施工图设计文件审查中心， 安徽 马鞍山 243000)

通过介绍用MIDAS Gen计算某立体桁架的过程，从设计角度提出建造立体管桁架结构的方法，并对立体管桁架设计的建模、分析结果及关键构造措施予以重点阐述。

立体管桁架； MIDAS Gen； 计算模型；构造要求

引 言

管桁架，是指用圆杆件在端部相互连接而组成的格子式结构。与传统的开口截面(H型钢和I字钢)钢桁架相比，管桁架结构截面材料绕中和轴较均匀分布，使截面同时具有良好的抗压和抗弯扭承载能力及较大刚度。这种钢构不用节点板，构造简单，制作安装方便、结构稳定性好、屋盖刚度大。空间三角形钢管桁架在受到竖向均布荷载作用的时候，表现出腹杆抗剪、弦杆抗弯的受力机理。弦杆轴力的主要影响因素是截面的高度，而竖面斜腹杆轴力的主要影响因素是竖面腹杆与竖直线的倾角。水平腹杆在竖向荷载作用下的受力较小，但是如果受到明显的扭矩作用的话，必须考虑适当加大其截面尺寸。

1 工程介绍

某立体管桁架长120 m，柱子最大跨度90 m，总长120 m，柱间距15 m，采用立体三角管桁架结构。初始方案采用网架结构，柱间距为15 m，跨度为90 m，由于受力面积为长条形，采用网架结构耗钢量大，不经济，故采用立体拱架结构[1，2]。根据《空间网格结构技术规程》[3]3.4.1，立体拱架的厚度可取跨度的1/20～1/30，矢高可取跨度的1/3～1/6；本工程立体拱架的厚度按1/20取，则拱架厚度为4.5 m，矢高按1/6跨度取，则矢高16 m。

2 计算过程

2.1 模型建立方法

采用MIDAS GEN 8.00进行计算，材料选取钢材Q235B及Q345B，系杆及屋面横向支撑采用Q235B钢材，其余采用Q345B钢材，计算简图如图1所示。

图1 立体管桁架计算简图

一榀管桁架的建立：先在AUTOCAD中三维建模建好一榀管桁架， 按杆件的不同设立图层和颜色，以区分开来，并把一根柱子的柱底坐标设为坐标原点，方便控制和查看模型，然后在MIDAS中按图层导入，这样可以把结构分成不同的结构组，以赋予截面和方便建模。

整体结构建立：采用MIDAS GEN中的单元复制命令，间距取15 m，沿Y向复制一榀管桁架，并布置系杆与水平支撑。建立完成后，选择除支撑、系杆的所有单元，复制7次，间距Y向15 m，单元建立完成。

虚面的建立：选择立体拱架上弦的杆件，用扩展命令，由线生成面，线不删除，Y向扩展-3 m，生成立体拱架的上弦虚面，再次选择上弦，Y向扩展12 m，生成上部虚面。选择所有虚面，Y向扩展7次，间距15 m，生成所有屋顶。

荷载施加：

自重荷载：选择所有截面，添加自重荷载，Z向系数-1；

屋顶恒载：(1) 恒载取0.8 kN/m2，上弦受力面积为4.5×(12+3)/2=33.75 m2，一个节点受力为27 kN，每隔3个节点屋面附加均布荷载0.8 kN/m2，即每隔3个节点恒载54 kN；(2)屋顶不上人活荷载：活荷载取0.5 kN/m2，上弦受力面积为4.5×(12+3)/2=33.75 m2，一个节点受力为17 kN，每隔3个节点屋面附加荷载0.5 kN/m2，即每隔3个节点恒载34 kN。

X向风荷载：根据《建筑结构荷载规范》[4]施加风荷载，选择封闭式落地拱形屋面确定μs，μz按20 m取，B类长度1.23，基本风压0.45 kN/m2，按照规范施加荷载。

图2 荷载规范风载体型系数

地震荷载施加：因为是大跨度结构，采用振型分解反应谱法分析，抗震烈度6度，加速度0.05g，Ⅱ类场地。

添加约束条件：选择柱底，约束X，Y，Z向弯矩和位移，固定支座。

2.2 荷载组合

程序在计算时，采用一系列荷载组合：

(1) 承载能力极限状态

组合1: 1.2×自重+1.4×活荷载+0.84右风;

组合2: 1.2×自重+1.4×活荷载+0.84左风;

组合3: 1.35×自重+0.98×活荷载+0.84右风;

组合4: 1.35×自重+0.98×活荷载+0.84左风。

(2) 抗震组合

组合5: 1.2×(自重+0.5×活荷载)+1.3X向地震；

组合6: 1.2×(自重+0.5×活荷载)-1.3X向地震；

组合7: 1.2×(自重+0.5×活荷载)+1.3Y向地震；

组合8: 1.2×(自重+0.5×活荷载)-1.3Y向地震。

(3) 正常使用极限状态

组合9: 1×自重+ 1×活荷载。

2.3 荷载布置

各种荷载示意图如图3～6所示。

2.4 计算结果

标准组合下的位移计算结果如图7所示。

图3 屋顶恒载

图4 屋面不上人活荷载

图5 右向风荷载

图6 左向风荷载

标准组合下最大竖向位移为164 mm，根据《空间网格结构技术规程》[1]3.5.1允许挠度值为1/250，跨度为90 m，挠度允许值为360 mm，满足规范要求。

构件应力比和构件验算结果分别如图8,9所示。

由构件验算应力比图形可知，所有构件计算应力比小于1.0，满足设计规范要求。

图7 标准组合下位移

图8 构件应力比

图9 构件验算结果

3 结 论

(1)采用MIDAS GEN软件能快捷地计算大跨度立体管桁架结构，其计算结果精确，能有效地用于工程设计当中。

(2) 从设计上提出了建造立体管桁架结构的策略，以保证结构安全，简化施工工艺，降低建造成本。

[1] 高标，徐昆，朱庆东，等.某立体管桁架高压试验大厅的结构设计分析[J].特种结构,2013，30(4)：45—47,87.

[2] 丁芸孙，刘罗静.网架网壳设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[3] JGJ7-2010.空间网格结构技术规程[S]. 北京：中国人民共和国住房和城乡建设部，2011.

[4] GB50009-2001.建筑结构荷载规范[S]. 北京：中国人民共和国建设部，2002.

2015-08-05

冯 双(1984—)，硕士。E-mail:fengs152478@sina.com

TU323.4