大跨度空间钢管桁架操作平台.docx

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大跨度空间钢管桁架操作平台

大跨度空间钢管桁架结构平台

[摘要]本文通过工程实例的具体分析，介绍了空间钢管桁架操作平台的施工方法，该方法利用了桁架结构中各杆的主要内力为轴力，且在杆件的横截面上分布均匀，杆件的材料能得到充分的利用，具有自重轻、承载大的特点，巧妙地解决了大跨度操作平台强度、刚度上的设计难点。

[关键词]大跨度、强度、刚度、空间钢管桁架

嘉茂购物中心·赛罕二期改造项目，原建筑为商业建筑，现状西侧为三层，东北部五层。

改造后需拆除原东部四层、五层，在西侧原三层屋顶处加建局部四层，该工程1/3轴至5轴与D轴至F轴处为中庭（如图1所示），此处需在22.56m处设置屋面（如图2所示），为保证施工在安全状态下正常进行且不影响一至三层商场的正常营业，需在19.26m处设置安全防护平台兼做装饰施工平台。

图1：

中庭部位防护兼装饰操作平台平面图（19.26m）

图2：

中庭部位防护兼装饰操作平台剖面图

由于中庭东西向跨度15.6m，南北向跨度19.76m,属于大跨度，造成了操作平台强度及刚度上的设计难点，为解决这一难题，我们考虑了多套方案，并对各个可行方案进行优化，最终决定采用空间钢管桁架结构操作平台。

一、施工方案的确定

为了完成大跨度操作平台的搭设任务，我们考虑了三个

施工方案。

方案一：

从一层搭设满堂脚手架操作平台，至19.26m；方案二：

以工字钢为主龙骨，横跨15.6m@1000，φ48×3.5钢管@1000为次龙骨，搭设操作平台；方案三：

以钢管桁架结构为主梁，横跨15.6m@1000，φ48×3.5钢管@1000为次梁，搭设操作平台。

经分析，方案一需搭设落地式扣件钢管脚手架，工程量大，施工周期长，且影响下层正常营业；方案二则以工字钢为主龙骨，由于跨度达15.6m，造成跨中弯曲应力、挠度值偏大，经计算显示，需选用50a（δmax=72N/mm2<[δ]=215N/mm2，Vmax=0.036m<[V]=l/400=0.039m）及以上型号工字钢才能满足强度及刚度要求，但由于50a工字钢自重大（936.54N/m）,造成安拆困难，造价偏高；方案三与方案一比较，工程量小，周期短，且不影响下层正常营业。

方案三与方案二比较，具有自重轻（584N/m），安拆方便，造价低的特点，特别适宜大跨度结构。

而钢管桁架结构，根据受力特性和杆件布置不同，又可分为平面钢管桁架结构和空间钢管桁架结构。

平面钢管桁架结构的上弦、下弦和腹杆都在同一平面内，结构平面外刚度较差，侧向稳定性难以保证，且难以满足强度及刚度要求，而空间钢管桁架结构，稳定性好，强度及刚度大。

综合以上因素，我们决定采用空间钢管桁架结构搭设操作平台。

二、平台的力学计算

1、计算模型的确定

初设桁架桁高0.7m，桁宽0.3m，节间长度两端1.3m,

其余1m，跨度15.6m（如图3所示）,上、下弦杆选用φ108×3.5钢管，腹杆选用φ48×3.5钢管。

桁架中距1m，上铺φ48×3.5钢管，中距1m，满铺50mm厚脚手板（如图1所示）。

φ48×3.5钢管@1000为次梁，承受构件自重、脚手板自重及施工荷载，为简化，不考虑次梁的连续性，取一跨按简支梁作为计算单元，取宽度为次梁间距1000mm的负荷载带作为荷载计算单元，按均布线荷载传递给次梁；空间管桁架结构@1000mm为主梁，承受构件自重、次梁传递的集中荷载，次梁传递给主梁的荷载面积为1000mm×1000mm，将次梁传来的集中荷载及构件自重简化为作用在节点上的集中荷载，将两端支座一端简化为固定铰支座，另一端简化为可动铰支座。

由于空间管桁架结构由两片桁架组成，为计算简便，取其中一片为验算对象，上述荷载相应减为一半。

图3：

空间管桁架立面、平面图

2、次梁验算

已知：

50厚木板自重400N/㎡，φ48×3.5钢管自重

38.4N/m，抗弯截面模量W=5080mm3，截面惯性矩I=121900mm4，弹性模量E=206000N/mm2，施工荷载2000N/㎡。

图4：

次梁计算简图

（1）荷载计算

线恒载标准值：

400N/㎡×1m+38.4N/m=438.4N/m

线活载标准值：

2000N/m2×1m=2000N/m

线荷载设计值：

1.2×438.4N/m+1.4×2000N/m=3326.08N/m

式中：

1.2为恒载分项系数；1.4为活载分项系数

（2）验算弯曲强度

最大正应力发生在跨中弯矩最大的截面上

Mmax=1/8ql2=1/8×3326.08N/m×（1m）2

=415.76N·m

δmax=Mmax/W=415.76N·m/5080mm3

=81.8N/mm2<[δ]=215N/mm2

弯曲强度满足要求

其中：

[δ]=215N/mm2为钢管许用应力值

（3）验算抗弯刚度

梁的最大挠度在跨中

Vmax=5ql4/384EI

=5×3326.08N/m×（1m）4/384×206000N/mm2×121900mm4=1.7mm<[V]=l/150=6.7mm

抗弯刚度满足要求

其中：

[V]=l/150=6.7mm为钢管允许挠度值

3、主梁验算

已知：

φ108×3.5钢管自重90.2N/m，截面积A=1148mm2，截面惯性矩I=1569436mm4，弹性模量E=206000N/mm2。

图5：

主梁计算简图（KN）

（1）荷载计算

桁架自重（折算为集中荷载）：

4×1m×90.2N/m+（2×0.7m+2×1.2m+2×1m）×38.4N/m=584N

a、19-30各节点由次梁传来恒载标准值：

400N/m2×1m×1m+38.4N/m×1m=438.4N

19-30各节点由次梁传来活载标准值：

2000N/m2×1m×1m=2000N

19-30各节点集中荷载设计值：

1.2×（438.4N+584N）+1.4×2000N=4026.88N

单片桁架19-30各节点集中荷载设计值：

4026.88N/2=2013.44N

b、18、31节点由次梁传来恒载标准值：

400N/m2×1.15m×1m+38.4N/m×1m=498.4N

18、31节点由次梁传来活载标准值：

2000N/m2×1.15m×1m=2300N

18、31节点集中荷载设计值：

1.2×（498.4N+584N）+1.4×2300N=4518.88N

单片桁架18、31节点集中荷载设计值：

4518.88N/2=2259.44N

c、17、32节点由次梁传来恒载标准值：

400N/m2×0.65m×1m+38.4N/m×1m=298.4N

17、32节点由次梁传来活载标准值：

2000N/m2×0.65m×1m=1300N

17、32节点集中荷载设计值：

1.2×（298.4N+584N）+1.4×1300N=2878.88N

单片桁架17、32节点集中荷载设计值：

2878.88N/2=1439.44N

（2）强度及刚度验算

本计算过程采用由清华大学土木系研究开发的结构

力学求解器进行辅助计算。

a、各杆件轴力计算结果，如图6所示

图6：

桁架杆件轴力图（KN）

由图可知：

δmax=FN/A=86560N/1148mm2=75N/mm2<[δ]=215

N/mm2

强度满足要求。

b、杆件最大位移发生在跨中部位（单元8），如图7所示

图7：

位移计算结果（m）

由图可知：

Vmax=0.029m

刚度满足要求

通过以上分析、计算可知，采用空间钢管桁架结构搭设平台，能够满足强度、刚度及稳定性要求。

三、空间管桁架平台搭设

1、在中庭上部钢结构施工前，原中庭屋面上满铺压型钢板防护，中庭四周设置1.5m高安全防护栏杆，上挂安全密目网，根部20cm设置木踢脚板。

2、待19.26m处钢梁施工完毕，在1/3轴至5轴之间安置钢管桁架，中距1m，与L505、GL501焊接牢固，桁架下挂安全平网，上铺φ48×3.5脚手钢管＠1000，与桁架焊接牢固，提高整体稳定性，满铺50mm厚木脚手板。

3、桁架预处理：

为减小平台使用过程中桁架的下挠变形，需适当使桁架上、下弦杆起拱约10-20mm，以抵消一部分竖向位移，使挠度变形最小化。

四、施工效果

空间管桁架提前加工、焊接组装，实际现场仅用两天时间便完成全部搭设任务。

经实际检测，桁架杆件变形符合规范要求。

完全能够满足施工及安全要求，取得了良好的效果。