鋼托架的優(yōu)化設計

牟 洪 任順利

1 概述

在工業(yè)廠房設計中常常遇到由于設備等原因抽柱或加大柱距的情況，當柱距大于屋架間距時，往往沿縱向柱列布置托架以支承中間屋架。托架一般為平行弦桁架，跨度 12m～36m，托架與屋架的連接采用平接，使托架在使用中不至于過分扭轉(zhuǎn)，屋蓋整體剛度較好。

2 常規(guī)設計

通常情況下托架設計為單跨簡支平行弦桁架。托架支承于混凝土柱時采用上升式支座斜桿，支承于鋼柱時采用下降式斜桿。屋架端部為鉸接，上弦不加蓋板;托架上弦桿(壓桿)在平面外的計算長度為與之相連的屋架間距。

單跨簡支托架的計算簡圖見圖 1。內(nèi)力分析時，托架兩端的屋架反力直接傳于柱頂，托架僅承受中間屋架的反力。將屋架傳來的荷載集中在節(jié)點上，并假定所有桿件位于同一平面內(nèi)，桿件重心線匯交于節(jié)點中心，且各節(jié)點均為理想鉸，不考慮次應力的影響，這樣就可以用數(shù)解法或內(nèi)力系數(shù)法計算托架桿件的內(nèi)力。

以F=500 kN，h=2m，L=12m為例，各桿件的內(nèi)力大小如圖 2所示。簡支托架的設計方法簡單，桿件受力明確，節(jié)點構(gòu)造簡單，設計意圖容易實現(xiàn)，但弦桿的受力差別較大，不能完全發(fā)揮桿件的拉壓強度特性。

3 優(yōu)化設計

實際工程中，由于投資等多種因素需要設計人員對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，最大程度做到經(jīng)濟可靠。設計時可考慮托架沿廠房縱向柱列連續(xù)布置，形成一個多跨連續(xù)桁架。每一跨的托架中部承受屋架傳來的支座反力F，連續(xù)托架支座處的屋架反力直接傳于柱頂。桁架的節(jié)點均為理想的鉸接點，荷載均作用在節(jié)點上。以兩跨連續(xù)桁架為例進行受力分析，計算簡圖見圖 3。

以F=500 kN，h=2m，L=12m為例進行計算，各桿件的內(nèi)力大小如圖 4所示。圖4中的計算結(jié)果說明，上弦桿 1受拉，上弦其他桿件仍受壓，但軸力比單跨簡支計算時減小，下弦桿 2為受壓桿，下弦其他桿件仍為拉桿，但內(nèi)力值較單跨簡支托架減小?？梢钥闯鲞B續(xù)托架內(nèi)力小，桿件小，整體性好，但節(jié)點構(gòu)造需特別處理，對施工制作要求高。

4 注意事項

在工業(yè)廠房鋼托架的優(yōu)化設計中，采用連續(xù)托架，托架上、下弦均受拉壓力，其上下弦桿較單跨簡支托架的內(nèi)力值減小，斜腹桿的內(nèi)力有增大的情況。當托架的桿件大小由強度控制時，采用連續(xù)托架可以減小上下弦的桿件截面，但連續(xù)托架下弦桿由單跨簡支托架的純拉變?yōu)槔瓑簵U件，設計時應考慮相應的措施滿足下弦平面外穩(wěn)定的要求。

[1] 鋼結(jié)構(gòu)設計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2] 國振喜，張樹義.實用建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 姚 治.淺談鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設計[J].山西建筑，2009，35 (10):56-57.