1 工程概况 以长春东北亚国际博览中心项目为研究背景，对三角空间桁架+Y形柱进行抗风、抗震、稳定性研究以及温度效应分析。 三角空间桁架+Y形柱结构的主桁架中部设有倒梯形托架，托架每隔3榀设有一根Y形柱，柱距52 m。根据实际参数建立三角空间桁架有限元模型，杆件均采用梁单元，单元总数为3 804。三角空间桁架有限元模型如图1所示，三角空间桁架俯视图如图2所示。 图1 三角空间桁架有限元模型示意 图2 三角空间桁架俯视示意 2 关键节点选取 以三角空间桁架+Y形柱结构为例，研究屋盖结构各节点在不同荷载工况下的位移，以此挑选出屋盖结构中关键节点进行研究。屋盖结构沿主桁架共有12榀，次桁架4榀。沿y方向按照顺序依次编号为1~12，沿x方向依次编号为1~4。跨中桁架高度为18.25 m，两端桁架高度为16.2 m，次桁架两端高度差为0.3 m。桁架编号如图3所示。 图3 桁架编号示意 屋面永久荷载为1.5 kN/m2，可变荷载为0.5 kN/m2。基本风压0.65 kN/m2（50年重现期），B类地貌。 选取荷载工况：1.2永久荷载+1.4可变荷载进行计算，上、下弦杆节点位移，见表1、表2。 表1 下弦杆节点位移mm 表2 上弦杆节点位移mm 由表1、表2可以看出，在1.2永久荷载+1.4可变荷载工况作用下，结构主桁架各关键节点位移沿y方向至跨中不断增大，结构主要位移发生在x2次桁架上，下弦杆位移大于上弦杆位移，发生位移最大的节点为x2y5。 3 温度荷载组合作用下的效应分析 3.1 三角空间桁架+Y形柱 3.1.1 对结构应力影响 根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》规定，温度作用下组合系数取0.6，取6个温度参与的基本组合进行比较分析，温度参与的荷载基本组合见表3。 表3 温度参与荷载基本组合 通过有限元软件计算得到不同荷载组合下最大应力值，见表4。 表4 基本荷载组合下最大应力 MPa 工况4下应力值最大，其中最大拉应力为253.17 MPa，最大压应力为306.54 MPa，最大拉应力出现在跨中斜腹杆处，最大压应力出现在与Y形钢柱相接的斜腹杆处。 在6种组合工况下，降温参与而产生的拉应力、压应力均大于升温参与产生的拉应力、压应力，并且在工况4下最大压应力已接近钢材强度设计值。因此，温度效应会对大空间钢结构应力产生较大影响，降温工况下影响更为显著。 3.1.2 对结构位移影响 取6个温度参与的基本组合进行比较分析，温度参与的荷载基本组合按表5选取。 表5 温度参与荷载标准组合 通过有限元软件计算得到不同荷载组合下最大位移，通过分析可知，工况4下位移值最大，其中最大位移为184.12 mm，位移比为1/446小于1/250，挠度满足规范要求。最大位移出现在屋盖檩条处。 3.2 关键节点受力分析 在对以往建筑受地震灾害而破坏的案例分析时，发现大部分产生破坏的原因是梁柱节点处出现脆性破坏导致整体结构丧失承载能力。因此选择合适的节点连接形式成为大跨钢结构抗震分析环节的重要问题。 3.2.1 关键节点1有限元分析 采用通用建模软件midas Fea与有限元软件midas Civil对关键节点进行分析。关键节点1构造统计见表6。 表6 关键节点1构造 将几个构件的模型嵌入整体模型中进行分析。 （1）1.2永久荷载+1.4可变荷载工况下。在1.2永久荷载+1.4可变荷载工况作用下，下弦杆与钢柱连接处应力值最大，为95.86 MPa，下弦杆处位移值最大，为143 mm。 （2）1.2永久荷载+1.3地震荷载+0.28风荷载工况下，在1.2永久荷载+1.3地震荷载+0.28风荷载工况下，下弦杆与钢柱连接处应力值最大，为71.66 MPa下弦杆与钢柱连接处应力值最大，为108.92 mm。 3.2.2 关键节点2有限元分析 （1）1.2永久荷载+1.4可变荷载工况下，在1.2永久荷载+1.4可变荷载工况作用下，主梁下弦杆、次梁下弦杆与斜腹杆交接处应力值最大，为307.41 MPa；跨中下弦杆处位移值最大，为222.44 mm。 （2）1.2永久荷载+1.4可变荷载工况下，在1.2永久荷载+1.4可变荷载工况作用下，跨中下弦杆处位移值最大，为222.44 mm。在1.2永久荷载+1.3地震荷载+0.28风荷载工况下，主梁下弦杆、次梁下弦杆与斜腹杆交接处应力值最大，为278.39 MPa。 （3）1.2永久荷载+1.3地震荷载+0.28风荷载工况下，在1.2永久荷载+1.4可变荷载工况作用下，跨中下弦杆处位移值最大，为141.92 mm。 3.2.3 关键节点3有限元分析 此节点为主梁下弦杆、次梁下弦杆、斜腹杆交会处。在1.2永久荷载+1.4可变荷载工况作用下，次梁下弦杆处应力值最大，为296.82 MPa，各杆件交会处应力值为163.56 MPa。跨中下弦杆处位移值最大，为195.25 mm。 （2）1.2永久荷载+1.3地震荷载+0.28风荷载工况，关键节点3应力、在1.2永久荷载+1.3地震荷载+0.28风荷载工况下，次梁下弦杆端部应力值最大，为264.74 MPa，各杆件交会处应力值为143.74 MPa。跨中下弦杆处位移值最大，为138.57 mm。 关键节点2最大应力与最大位移均小于关键节点3，原因是Y形柱对结构起到支撑作用。3个关键节点均出现刚度突变和应力集中现象，最大应力与最大变形均出现在结构的下弦杆处。 3.2.4 关键节点5有限元分析 此节点为主梁下弦杆、次梁下弦杆、斜腹杆、Y形钢柱交会处。在升温工况作用下，最大拉应力为323.18 MPa，斜腹杆处应力值最大，通过图23对节点细部进行分析发现，最大拉应力出现在各杆件交会，因此在施工过程中应对关键节点处进行加强处理。工况4作用下最大位移为23.8 mm。 4 结论 （1）6种组合工况中，降温参与而产生的拉应力、压应力均大于升温参与产生的拉、压应力，并且工况4下最大压应力已接近钢材强度设计值，最大压应力出现在与Y形钢柱相接的斜腹杆处。因此，温度效应会对大空间钢结构应力产生较大影响，降温工况下影响更为显著。 （2）在温度升高时，结构倾向于向外膨胀；而在温度降低时，结构则倾向于向内收缩。因此，降温过程对结构的挠度控制具有负面影响，温度变化对的变形影响尤为显著。 （3）通过分析可知，在两种工况下关键节点2的最大应力与最大位移均大于关键节点3，产生的原因是Y形柱对结构起到支撑作用。3个关键节点均出现刚度突变和应力集中现象，最大应力与最大变形出现在结构的下弦杆处。 （4）Y形柱对结构起到支撑作用，在两种工况下，关键节点2最大应力、最大位移均小于关键节点3，各节点均出现刚度突变和应力集中现象，最大应力与最大变形出现在结构的下弦杆处；在有温度作用参与时，结构最大拉应力出现在各杆件交会区域，关键节点位置处容易出现应力集中的现象。
