大跨度鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系性能探析

摘要:本文采用的分析手段是建立在理論分析和實際工程計算緊密結(jié)合的基礎(chǔ)上的,所得出的結(jié)論具有一定的指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價值,也為進一步探討空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系提供基礎(chǔ)。 

關(guān)鍵詞:大跨度;鋼管桁架結(jié)構(gòu);屋蓋結(jié)構(gòu);探析 

　　前言 

　　空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系是大跨空間結(jié)構(gòu)中的一個重要成員。鄭州大學(xué)新校區(qū) 體育 館由三組環(huán)向桁架、三組徑向桁架和三組撐桿為主要構(gòu)件組成,外環(huán)、外部徑向桁架與中環(huán)構(gòu)成結(jié)構(gòu)的主要受力骨架,通過封閉外環(huán)的設(shè)計,使其形成一個受拉的環(huán)箍,限制了外部徑向桁架滑動支座端的徑向位移,從而減小了整個結(jié)構(gòu)的豎向撓度,在此滿足規(guī)范要求的同時,使結(jié)構(gòu)用鋼量達到最佳 經(jīng)濟 指標。該屋蓋平面的水平投影為軸對稱的花瓣形,在半徑約7m和15m及外圍處設(shè)置三道封閉的環(huán)桁架,沿徑向設(shè)置24道空間桁架,并以環(huán)桁架為分界沿圓周方向錯開布置,徑向桁架被劃分為外、中、內(nèi)三部分。整個結(jié)構(gòu)外觀簡潔,輕逸,受力合理,傳力直觀,整體性能好。對它進行探索有助于了解結(jié)構(gòu)性能,指導(dǎo)設(shè)計施工,并為類似結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供依據(jù)。 

　　1. 管桁架結(jié)構(gòu)概述 

　　近年來,鋼管結(jié)構(gòu)不僅在海洋工程、橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用,而且在 工業(yè) 及民用建筑中的應(yīng)用日益廣泛,鋼管結(jié)構(gòu)在我國建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用也越來越多,如寶鋼三期工程中采用方管桁架,吉林滑冰練習(xí)館、哈爾濱冰雪展覽館、上海“東方明珠”電視塔和長春南嶺萬人體育館均采用方鋼管作為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件,廣州體育館屋蓋采用了方鋼管和圓鋼管,上海虹口體育場采用圓鋼管作為屋面承力體系,成都雙流機場屋蓋采用了圓鋼管作為主要受力構(gòu)件。在公共建筑領(lǐng)域,鋼管結(jié)構(gòu)中獨特的結(jié)構(gòu)形式層出不窮,如悉尼水上運動中心,美國迦登格羅芙水晶教堂;單層大空間建筑領(lǐng)域,除了在超級市場、貨棧和倉庫中繼續(xù)廣泛應(yīng)用外,還出現(xiàn)了一些超大型結(jié)構(gòu),如新加坡章楦機場機庫,大阪國際機場候機廳;另外還有輕型大跨結(jié)構(gòu),如人行天橋和起重機結(jié)構(gòu);其他特殊用途的結(jié)構(gòu),如天線桅桿和航天發(fā)射架等。2001年建成的建筑面積7250的北京植物園展覽溫室是國內(nèi)首次采用相貫節(jié)點的曲線鋼管桁架結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)用材為16Mn,鋼管最大規(guī)格為299mmx12mm,鋼結(jié)構(gòu)總噸位720t。上海體育館的膜結(jié)構(gòu)屋蓋主要由鋼管相貫而成的32榀桁架、環(huán)梁組成,呈南北對稱的馬鞍形狀,最大跨度288.4m,標高31.74-70.54m,主桁架最大鋼管直徑508mm,采用直接焊接K型節(jié)點。最長的懸挑梁74.162m,材料采用英鋼50D。南京國際展覽中心的二層展廳是一個長243m、寬75m的無柱大空間,屋面呈弧形,南北兩端主入口各有15m懸挑,西側(cè)又有14m懸挑。采用的是鋼管拱架、檁架的結(jié)構(gòu)方案。 

　　2. 鋼管桁架結(jié)構(gòu)的形式及特點 

　　2.1 管桁架的分類:根據(jù)受力特性和桿件布置不同,可分為平面管桁結(jié)構(gòu)和空間管桁結(jié)構(gòu)。平面管桁結(jié)構(gòu)的上弦、下弦和腹桿都在同一平面內(nèi),結(jié)構(gòu)平面外剛度較差,一般需要通過側(cè)向支撐保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定。在現(xiàn)有管桁結(jié)構(gòu)的工程中,多采用Warren桁架和Pratt桁架形式,Warren桁架一般是最經(jīng)濟的布置,與Pratt桁架相比Warren桁架只有它一半數(shù)量的腹桿與節(jié)點,且腹桿下料長度統(tǒng)一,這樣可極大地節(jié)約材料與加工工時。Vierendeel桁架主要應(yīng)用于建筑功能或使用功能不容許布置支撐斜桿時的情況。 

　　2.2 連接件的截面形式常用的桿件截面形式為圓形、矩形、方形等,按連接構(gòu)件的不同截面可分為以下幾種桁架形式: 

　　C-C型桁架:即弦桿和腹桿均為圓管相貫的桁架結(jié)構(gòu); 

　　R-R型桁架:即弦桿和腹桿均為方鋼管或矩形管相貫的桁架結(jié)構(gòu); 

　　R-C型桁架:即矩形截面弦桿與圓形截面腹桿直接相貫焊接的桁架結(jié)構(gòu)。 

　　2.3 桁架的外形 

　　從桁架外形(即從弦桿類型來分)方面可分為:直線型與曲線型管桁結(jié)構(gòu)。隨著社會對美學(xué)要求的不斷提高,為了滿足空間造型的多樣性,管桁結(jié)構(gòu)多做成各種曲線形狀,豐富結(jié)構(gòu)的立體效果。當設(shè)計曲線型管桁結(jié)構(gòu)時,有時為了降低加工成本,桿件仍然加工成直桿,由折線近似代替曲線。如果要求較高,可以采用彎管機將鋼管彎成曲管,這樣建筑效果更好。 

　　2.4 管桁架的優(yōu)點 

　　鋼管結(jié)構(gòu)因其具有優(yōu)美的外觀、合理的受力特點以及優(yōu)越的經(jīng)濟性,在 現(xiàn)代 工業(yè)廠房、倉庫、體育館、展覽館、會場、航站樓、車站及辦公樓、商住樓、賓館等建筑中得到了廣泛的應(yīng)用,如上海體育場、上海科技城、首都機場新航站樓、廣州新白云及長航站樓、廣州國際會展中心、上海新國際博覽中心、南京國際會展中心、南京奧林匹克體育場、江蘇省南通市體育會展中心等大型工程中均采用了鋼管結(jié)構(gòu)。工程實際表明,鋼管結(jié)構(gòu)既可以很好地滿足建筑要求,又能夠使結(jié)構(gòu)達到安全、適用、經(jīng)濟等性能指標,符合鋼結(jié)構(gòu)的最新設(shè)計觀念。 

　　鋼管截面具有一系列獨特的優(yōu)越性能,主要有以下幾個方面: 

　�、賵A管和方管的管壁一般較薄,截面回轉(zhuǎn)半徑較大,故抗壓和抗扭性能好。對稱截面形式使得截面慣性矩對各軸相同,有利于單一桿件的穩(wěn)定設(shè)計。截面的閉合提高了抗扭剛度,對板件局部穩(wěn)定性而言,閉合截面也優(yōu)于有懸挑板件的開口截面。在許多場合下,建筑師也愿意利用鋼管外觀簡潔的特點表達其建筑意圖。 

　　②在截面積相同的型鋼中,鋼管外表面積最小,這就使得鋼管與大氣的接觸面積最小,加之鋼管往往會兩端封閉,內(nèi)部不會生銹,這就大大減少了防腐防火涂層的材料消耗和涂裝工作量。而且鋼管結(jié)構(gòu)較易于清刷、油漆,故維護更為方便。 

　　③鋼管截面的流體動力特性好。承受風力或水流等荷載作用時,荷載對鋼管結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)比其它截面形式結(jié)構(gòu)的效應(yīng)要低得多。 

　　④鋼管加工便利。隨著多維數(shù)控切割技術(shù)的 發(fā)展 ,鋼管的相貫線切割已經(jīng)不再是難題,國內(nèi)許多鋼結(jié)構(gòu)加工廠家已經(jīng)掌握了這項技術(shù)。 

　　結(jié)語:利用空間鋼管桁架作為屋蓋結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點,不僅滿足了本 體育 館大跨度的要求,而且作為一種結(jié)構(gòu)體系,它符合了大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展需要,營造了美學(xué)與力學(xué)的完美結(jié)合的設(shè)計理念。此類結(jié)構(gòu)形式得到了廣泛的工程實踐應(yīng)用,具有強勁的發(fā)展勢頭。 

　　參考文獻 

　　[1]屈桂林.奧運“道”場里的科技之光[N].中華建筑報.2007年. 

　　[2]國際 現(xiàn)代 空間結(jié)構(gòu)的演變[N].世界金屬導(dǎo)報. 2007年.