大跨度鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架設(shè)計(jì)探析
摘?要 當(dāng)今的鋼結(jié)構(gòu)建筑屋蓋體系，特別是大型的場館建筑屋蓋體系，大部分是采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)管桁架結(jié)構(gòu)，這就結(jié)構(gòu)是建筑業(yè)重要的發(fā)展方向之一。大跨度鋼結(jié)構(gòu)管桁架結(jié)構(gòu)線條流暢、安全實(shí)用、外形豐富。本文旨在通過對這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要的分析，以達(dá)到進(jìn)一步認(rèn)識鋼結(jié)構(gòu)管桁架技術(shù)的目的。
關(guān)鍵詞 大跨度；鋼結(jié)構(gòu)；空間管桁架
中圖分類號 T323 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-（2012）112-0178-02
鋼結(jié)構(gòu)管桁架技術(shù)已經(jīng)在國外流行多年，我國建筑業(yè)在經(jīng)歷著快速發(fā)展的同時(shí)，對建筑的屋蓋體系逐步重視。在這個(gè)基礎(chǔ)上，鋼結(jié)構(gòu)管桁架技術(shù)得到了深入的研究發(fā)展和運(yùn)用。下面我們就對這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探究。
1 管桁架結(jié)構(gòu)的初步認(rèn)識
隨著技術(shù)的發(fā)展，鋼管結(jié)構(gòu)在當(dāng)今建筑的使用范圍上，已經(jīng)從大型建筑工程范圍上擴(kuò)展到了工業(yè)建筑以及民用建筑范圍上。例如上海、長春的體育場，成都的機(jī)場航站樓、哈爾濱的滑雪場、揚(yáng)州體育館、上海洋子港大橋、廣州國際會議展覽中心以及北京奧運(yùn)會老山自行車館等等，在屋蓋體系上都選擇了鋼結(jié)構(gòu)空間管桁架的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
管桁架依據(jù)桿架布置的不同以及受力特征的不同，一般分為平面、空間兩種管桁結(jié)構(gòu)。顧名思義，平面管桁結(jié)構(gòu)就是上、下弦以及腹桿全部處于同一平面。這種結(jié)構(gòu)的外部剛度較差�？臻g管桁結(jié)構(gòu)的上、下弦同腹桿通常處在三角形截面上，這種結(jié)構(gòu)的跨度大，穩(wěn)定性高，外觀通常也比較富有美感。在外支撐不能布置的時(shí)候，采用穩(wěn)定性高的三角形桁架來構(gòu)建一個(gè)跨度大的空間。這種結(jié)構(gòu)方式減少了支撐夠件的數(shù)量，所以比較經(jīng)濟(jì)。
對于管桁架的連接件桿件截面的種類，一般常用的為圓形、正方以及長方形，選擇不同圖形的截面相應(yīng)的桁架類型也有所不同：如果連接件截面是圓形，就選擇C-C型桁架；如果連接件截面是正方形，就選擇R-R型桁架；如果連接件截面是長方形，就選擇R-C型桁架。
弦桿的類型決定了桁架的外形，基本上可以分為直線型桁架和曲線型桁架兩種。這其中，曲線型桁架可以更好的體現(xiàn)建筑的美觀程度，也被最常用于施工過程中。為了在最小的成本支出下獲得最佳的建筑效果，在曲線型管桁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，桿件仍然使用直桿形式，將折線近似來替代曲線。
鋼管桁架結(jié)構(gòu)的外形優(yōu)美，經(jīng)濟(jì)成本低，受力較其它材料合理，正是這些相對的優(yōu)勢使得鋼結(jié)構(gòu)管桁架在建筑中得到了最普遍的使用。大量的建筑工程實(shí)踐可以證明，鋼管結(jié)構(gòu)的運(yùn)用一方面滿足了建筑的基本原則，另一方面也滿足了建筑的基本要求，并且與最新的設(shè)計(jì)理念吻合。
2 空間管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀
現(xiàn)代很多大型的建筑均采用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)造的，而且伴隨著建筑業(yè)的不斷深化與發(fā)展，建筑理念也發(fā)生了翻天覆地的變化與創(chuàng)新，在鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和實(shí)踐上，出現(xiàn)了許多類似跨度大、空間形狀相對復(fù)雜多變的鋼結(jié)構(gòu)的建筑。這些新型鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)，同時(shí)也對鋼構(gòu)件的優(yōu)化與創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)。近些年我國出現(xiàn)的，比較著名的類似于水立方、國家大劇院以及中央電視臺新辦公樓等等大型的體育場館、文化場館、展覽館等無一例的使用了大跨度、復(fù)雜空間鋼結(jié)構(gòu)，來充當(dāng)建筑自身的屋蓋結(jié)構(gòu)體系。
如今，建筑水平的科技含金量已經(jīng)成為了衡量一個(gè)國家建筑水平的標(biāo)準(zhǔn)，其中，空間結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的好壞決定了建筑水平的科技含量。我國的建筑業(yè)從未停止過對于大跨度空間結(jié)構(gòu)研究方面的腳步，相應(yīng)的施工技術(shù)也有了質(zhì)的飛躍。
大跨度空間管桁架在國家重要的場館建設(shè)時(shí)，發(fā)揮了不可替代的作用。但是，由于在跨度、桁架截面以及規(guī)格上的不同，造成建筑相互間壁厚對接、K型節(jié)點(diǎn)等方面上或多或少的存在些差異。
3 空間管桁架結(jié)構(gòu)問題的解決
3.1 主管不等壁厚對接問題及辦法
大跨度變截面的主管對接口處，是不等壁厚對接問題主常出現(xiàn)的位置。設(shè)計(jì)單位往往要求所有的主管對接口，在工廠內(nèi)實(shí)行打內(nèi)坡口并且要求加折板已充當(dāng)襯墊。但是，大量的內(nèi)坡口構(gòu)件應(yīng)用到施工中會導(dǎo)致工期的延長、難度的增大。而且，由于國內(nèi)的無縫管制造技術(shù)還與國外有一定的差距，必須要采用卷管制作的方法，這就造成了直縫鋼管的圓度差異問題。
按照相關(guān)的規(guī)定，直縫鋼管的外徑偏差率不能大于或小于0.75%，彎曲度偏差不能大于3.0mm/m。焊接兩個(gè)構(gòu)件時(shí)，焊件的寬度與厚度不等同，其中，如果焊件的厚度在一側(cè)上存在著4mm以上的差距，那么就要分別在寬度、厚度方向，沿著一側(cè)或者兩側(cè)做成斜角，這個(gè)斜角的坡度應(yīng)該控制在小于或等于1：2.5的范圍內(nèi)。此外，可以通過沿著焊件焊接的縫隙的垂直方向添加插筋板，還可以在焊縫位置加上箍圈對焊接構(gòu)件進(jìn)行固定。
3.2 K型搭接節(jié)點(diǎn)處不可視焊接問題及辦法
搭接節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)構(gòu)造上一共可分為間隙、部分搭接以及完全搭接，這些不同結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)與施工的過程中，如何搭接就成了最為關(guān)鍵的問題，也會增加內(nèi)隱藏焊縫的幾率。而相關(guān)規(guī)定并未對這方面的問題有具體的規(guī)定。
通常情況下，主管與腹桿的直徑比要控制在大于等于0.2、小于等于1的范圍內(nèi)，腹桿之間的搭接量要控制在大于等于25%的范圍內(nèi)。在節(jié)點(diǎn)的選擇上，要多選擇間隙節(jié)點(diǎn)替代部分搭接節(jié)點(diǎn)，因?yàn)殚g隙節(jié)點(diǎn)比部分搭接節(jié)點(diǎn)更容易被組裝。對于部分搭接節(jié)點(diǎn)的隱藏部分一般是不焊接的，只有出現(xiàn)腹桿與主管之間的不平衡系數(shù)大于1.5的情況，那么部分搭接節(jié)點(diǎn)就必須要進(jìn)行焊接。搭接節(jié)點(diǎn)的選擇，要注意搭接管與被搭接管至少要將25%的寬度疊合在一起，最佳的選擇是有一般的寬度疊合。另外，對于部分搭接的K型節(jié)點(diǎn)，如果主管垂直方向的內(nèi)力與腹管內(nèi)力之間存在低于五分之一的差距，那么被搭接桿件的趾部是不需要進(jìn)行焊接的。
除此之外，搭接節(jié)點(diǎn)構(gòu)件中，圓管外層直徑同構(gòu)件壁的厚度之間的比值不能大于100。K型節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的搭接率應(yīng)該被控制在大于等于25%、小于等于100%的范圍內(nèi)。如果腹桿出現(xiàn)厚度不同的情況，那么在焊接時(shí)，要在厚壁管上方搭薄壁管。綜上所述，空間管桁架設(shè)計(jì)時(shí)，不只需要考慮桿件以及桿件節(jié)點(diǎn)承受力，節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造也是很重要的環(huán)節(jié)，節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效地將各個(gè)構(gòu)件聯(lián)系起來，對于整個(gè)建筑設(shè)計(jì)起到承上啟下的關(guān)鍵作用。
3.3 空間管桁架施工的步驟
“先點(diǎn)焊，后全焊”是管桁架施工的主要程序，在桁架施工中如果有搭接節(jié)點(diǎn)存在，就一定要事先明確需要焊接的搭接部位，這也側(cè)面要求施工過程中要對各個(gè)構(gòu)件安裝的先后進(jìn)行有效確認(rèn)，以防因?yàn)闃?gòu)件安裝順序的顛倒導(dǎo)致建筑安全隱患�？臻g管桁架的安裝步驟通常是：主管先行安裝，接著安裝只管，每安裝一個(gè)只管后，對直管趾部進(jìn)行焊接，最后進(jìn)行支管與支管間的焊縫焊接。
3.4 如何進(jìn)行相貫口補(bǔ)塊
一個(gè)建筑工程的施工中，從設(shè)計(jì)到施工整個(gè)過程不可能完美，或多或少都會出現(xiàn)一些不足或者誤差，特別是在施工過程中人為的失誤會加大這些誤差出現(xiàn)的幾率。這些失誤往往會造成相貫口出現(xiàn)縫隙過大問題，需要及時(shí)有效地進(jìn)行查缺補(bǔ)漏。
1）如果桁架同主弦管相貫口間隙長度大于8mm，那么解決方法之一就是徹底替換相貫口，方法之二就是對相貫口周圍部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割，切割的要求是長橢圓形，長度要大于或者是等于500mm，針對切割的部分進(jìn)行替換，在替換中應(yīng)該打坡口焊接。
2）支管相貫口間隙過大，要對支管相貫口的局部構(gòu)件補(bǔ)塊，補(bǔ)塊要求是長橢圓形，長度要大于或者是等于300mm，對于焊接的要求同樣是坡口焊接。
4 總結(jié)
鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的作用日趨重要，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)的自身重量較小而且強(qiáng)度較高，可塑性和柔韌性都較其它材料強(qiáng)，加之鋼結(jié)構(gòu)無法比擬的抗震性能，是之成為公認(rèn)的具有良好性能的結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)也被應(yīng)用到了空間結(jié)構(gòu)體系中，尤其是跨度較大，標(biāo)高較高的大型場館，空間鋼結(jié)構(gòu)管桁架設(shè)計(jì)做為其屋蓋結(jié)構(gòu)發(fā)揮著很多的優(yōu)點(diǎn)，滿足了場館大跨度的要求，而且符合建筑設(shè)計(jì)的美觀實(shí)用、經(jīng)濟(jì)安全的基本原則。這一設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在未來會被更多地運(yùn)用到實(shí)際建筑中去。
參考文獻(xiàn)
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