大跨度桁架设计应该注意的要点

大跨度桁架设计是一个复杂且综合性很强的工程问题，涉及结构安全、经济性、施工可行性等多个方面。以下是其设计过程中需要特别注意的要点，可以从概念到细节分为几个层面：

一、 结构方案与选型阶段

这是设计的灵魂，决定了结构的效率和可行性。

1. 结构形式的确定：

• 桁架类型： 根据跨度、荷载和建筑功能选择最合适的桁架形式，如三角形桁架、梯形桁架、拱形桁架、空腹桁架等。每种形式在受力效率、建筑空间利用和节点构造上各有优劣。

• 平面桁架 vs 空间桁架：

• 平面桁架： 需要在垂直方向设置足够的支撑系统（如垂直支撑、水平支撑）来保证结构的整体稳定性。适用于矩形平面或单向受力明显的结构。

• 空间桁架： 如网架、网壳，本身具有很好的空间整体性和稳定性，能更好地覆盖大跨度空间，但节点构造相对复杂。

2. 高跨比的合理选择：

• 桁架的高度是影响其刚度和用钢量的最关键参数之一。高跨比过小，刚度不足，变形可能超标；高跨比过大，虽刚度好，但用钢量增加，经济性差，且可能影响建筑空间。

• 经验范围： 对于普通钢桁架，高跨比通常在 1/10 ~ 1/20 之间。需要根据荷载大小（特别是活荷载与恒荷载的比例）进行精确计算和优化。荷载越大，高跨比应越大。

3. 网格尺寸的划分：

• 网格尺寸（节间长度）影响腹杆的布置和数量。网格过大，弦杆受力大，截面大，且节间弯矩可能成为控制因素；网格过小，节点数量增多，制作成本上升。

• 原则： 使腹杆与弦杆的夹角保持在 30°~60° 之间（最佳约45°），以保证力的有效传递，避免节点处应力过于集中。

二、 荷载与作用分析

准确的荷载是安全设计的基础。

1. 恒荷载： 结构自重、屋面系统、吊顶、设备管道等。

2. 活荷载： 屋面检修荷载、雪荷载（考虑不均匀分布和积雪漂移）、悬挂荷载（如吊车、舞台设备）。

3. 风荷载： 这是大跨度结构的控制性荷载之一。

• 必须考虑风压、风吸在不同屋面部位的不同效应。

• 考虑结构的动力响应，对于柔性的超大跨度结构，需进行风振分析。

• 注意局部风压对屋面构件的影响。

4. 温度作用： 大跨度结构对温度变化敏感，会产生显著的温度应力，必须在计算中考虑合拢温度与极端使用温度的差值。

5. 地震作用： 根据抗震设防要求进行计算。大跨度桁架的竖向地震作用往往不可忽视。

6. 偶然荷载： 如根据重要性考虑的撞击、爆炸等。

三、 计算分析与设计要点

1. 精确的内力分析：

• 必须采用空间有限元法进行整体分析，考虑桁架与下部支承结构（如柱子）的共同工作。

• 除了线性静力分析，对于复杂或特别重要的结构，可能需要进行非线性分析（几何非线性、材料非线性）、屈曲分析和动力时程分析。

2. 稳定性设计——重中之重：

• 整体稳定性： 分析结构在荷载作用下的整体屈曲模态，确保有足够的安全储备。

• 杆件稳定性： 桁架中的压杆（尤其是上弦杆和部分腹杆）是稳定性控制的。必须准确计算杆件的计算长度。注意： 桁架平面内和平面外的计算长度可能不同，取决于节点的刚度和支撑系统的布置。

• 节点稳定性： 防止节点区域的局部屈曲。

3. 变形控制：

• 大跨度结构的变形（挠度）往往是设计的控制因素。需验算在恒、活荷载标准组合下的挠度，确保满足规范限值（通常为跨度的1/250~1/400），防止给人带来不安全感，并保证屋面排水顺畅。

• 对于有悬挂吊车或精密设备的结构，变形控制要求更严格。

四、 节点设计

“强节点，弱杆件”，节点是保证结构安全的关键。

1. 节点刚度假定： 设计时必须明确节点是铰接、刚接还是半刚性连接。大部分焊接桁架节点接近刚接，而螺栓球节点接近铰接。计算模型的假定必须与最终节点构造一致。

2. 节点构造：

• 相贯节点： 常用于圆管或方管桁架，需进行节点承载力验算，防止节点先于杆件破坏。必要时在节点处设置内部加劲肋或采用加强型节点（如KK型节点）。

• 板式节点： 通过节点板连接，传力明确，但用料较多。注意节点板的稳定性和焊缝设计。

• 螺栓球/焊接球节点： 用于网架结构，需选用符合标准的成品，并验算螺栓的抗拉和抗剪强度。

3. “K”型节点 vs “N”型节点： 尽量避免在受压弦杆上使用间隙过小的“K”型节点，以免造成弦杆的局部弯曲和过早破坏。

五、 支撑系统设计

支撑系统是结构的“安全带”，保证施工和使用期间的整体稳定性。

1. 平面内稳定性： 通过桁架自身的三角形几何不变体系保证。

2. 平面外稳定性： 必须设置可靠的支撑系统！

• 水平支撑： 在上下弦杆平面内设置纵向和横向水平支撑，形成水平桁架，将水平力（如风荷载、地震力）传递至支座。

• 垂直支撑： 在桁架两端和中间适当位置设置垂直支撑，保证桁架的侧向稳定。

• 系杆： 在未设支撑的开间，用系杆将桁架连接起来，为其提供平面外支承点，减小其计算长度。

六、 制作、安装与防腐防火

1. 施工方案： 设计之初就要考虑施工的可行性。是整体吊装、分段吊装、滑移还是顶升？不同的方案会影响桁架的分段、临时支撑点的设置以及吊装工况的验算。

2. 构造细节： 考虑制作和安装的便利性，如设置吊装点、临时连接板等。

3. 防腐与防火：

• 防腐： 根据环境选择适当的防腐方案（热浸镀锌、喷涂富锌底漆等）。

• 防火： 根据建筑防火等级要求，对钢构件采取喷涂防火涂料、包覆防火板等防火措施。

总结

大跨度桁架设计是一个系统工程，需要遵循以下核心原则：

• 传力路径明确、直接。

• 保证结构的整体和局部稳定性。

• 重视节点设计，确保节点安全可靠。

• 变形控制是衡量设计成功与否的重要指标。

• 设计与施工紧密结合。

最终的设计方案往往是结构性能、建筑功能、经济成本和施工周期之间多次权衡和优化的结果。建议在重要项目中，由经验丰富的结构工程师主导完成。