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摘要：为了研究大跨度钢结构屋面稳定性及适应性，结合某仓库工程实例，利用Midas Gen等软件模拟对其进行分析计算。本文对大跨度钢结构屋面设计分析，提出采用张弦桁架最优方案，结果表明：交叉张弦桁架建筑造型优美，结构轻巧优雅，受力明确，用钢量省，适用于大跨度钢结构工程。
关键词：大跨度，张弦，预应力，稳定，经济；
1.引言
21世纪以来，随着经济的快速发展，我国各地兴建了许多的大跨度建筑，传统大跨度钢结构屋面大多采用网架、桁架、膜结构等结构形式，由于某些客观原因，一些建筑含钢量较高，经济造价大，结构形式稳定性存在一定的缺陷，本文结合某仓库实例工程，阐述了交叉张弦桁架设计分析注意事项和关键技术措施，以供同类型结构设计研究参考。
2.工程概况
图一：效果图 图二：桁架轴测图
本仓库总建筑面积2.3万平方米，平面尺寸180m×110m，屋面标高为20.9m，为单层大跨屋盖建筑，采用预应力张弦桁架结构。建筑为满足模型试验的需要，内部不设柱，形成180m×110m的无柱大空间，详见图一。
张弦桁架跨中高度为11m，高跨比为1/10。上部桁架为变截面倒三角形立体钢管桁架，桁架高度从边部的2m渐变为中部的3m，高跨比为1/37，桁架宽度从中部的2m，渐变为边部的1.4m。与普通张弦桁架相比，交叉张弦桁架为空间受力构件，空间刚度大，平面外的稳定性好，建筑造型更加美观。桁架上弦截面主要规格φ402×12，桁架下弦截面主要规格φ402×10，靠近支座处的下弦截面规格φ402×20。腹杆截面主要规格为φ245×8，φ180×6，φ159×6。张弦桁架拉索选用127φ7，截面面积为4888mm2，撑杆为φ299×8。详见图二。
3.设计分析
利用Midas Gen对一榀“X形”桁架进行了弹性屈曲分析。在保证结构自重不变的情况下，加大索的预张力。张弦桁架在第一、第二屈曲模态是的屈曲因子分别为33.5和37.5。这表明在张拉桁架时，张弦桁架的整体稳定是可以保证的。
图三：第一阶屈曲模态 图四：第二阶屈曲模态
张弦桁架挠度计算结果：在1.0恒载+1.0均匀布置雪荷载+1.0预应力工况下，挠度为-328.2mm，对应跨度110m，挠跨比1/335；1.0恒载+1.0不均匀分布雪载工况下，挠度为-361.4mm，对应跨度110m，挠跨比1/304.张弦桁架最大挠跨比为1/304，规范挠度比限值为1/250，满足有关规范限值要求。对结构进行抗震验算，结构低阶振型以索平面外的振动为主，前18阶振型均为索自振振型，主体结构自振周期第19阶振型1.133（竖向振动），20阶振型1.064（竖向振动），20阶振型0.956（竖向振动有扭转），模态分析结果表明结构较柔，地震作用对结构设计不起控制作用。
屋盖整体稳定分析结构：1.0恒载+1.0均匀分布雪荷载+1.0预应力下第一阶线性屈曲模态如图五所示，屋面整体平面外失稳，屈曲特征值19.4。
1.0恒载+1.0上半跨均匀分布雪荷载+1.0预应力下第一阶线性屈曲模态如图六所示，屋面整体平面外失稳，屈曲特征值23.3
由屈曲分析结果可知，在不考虑屋面檩条作用的情况下，屋盖的屈曲因子远大于5。因此，张弦桁架在使用过程中有很强的支撑体系，可以保证其整体稳定性。
4.结论
（1）交叉张弦桁架建筑造型优美，结构轻巧优雅，受力明确，用钢量省，适用于大跨度钢结构工程。本工程屋盖钢结构用钢量为72kg/m2，经济效益显著。
（2）大跨度钢结构设计往往由刚度控制。交叉张弦桁架结构与常规张弦桁架相比，刚度较大，平面外稳定性较好，张弦桁架在使用过程中有很强的支撑体系，可以保证其整体稳定性。
图五：第一阶屈曲模态 图六：第二阶屈曲模态
论文作者:毕辉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/21
标签：桁架论文; 屈曲论文; 屋面论文; 结构论文; 截面论文; 挠度论文; 预应力论文; 《建筑学研究前沿》2018年第26期论文;