大跨度管桁架屋蓋體系結(jié)構(gòu)性能淺析

王海霞

摘要：本文采用的分析手段是建立在理論分析和實(shí)際工程計(jì)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(jià)值，也為進(jìn)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：空間結(jié)構(gòu)；鋼管桁架結(jié)構(gòu)；屋蓋結(jié)構(gòu)；計(jì)算分析

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(gè)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(jì)，使其形成一個(gè)受拉的環(huán)箍，限制了外部徑向桁架滑動(dòng)支座端的徑向位移，從而減小了整個(gè)結(jié)構(gòu)的豎向撓度，在此滿足規(guī)范要求的同時(shí)，使結(jié)構(gòu)用鋼量達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。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(cuò)開布置，徑向桁架被劃分為外、中、內(nèi)三部分。整個(gè)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(jìn)行探索有助于了解結(jié)構(gòu)性能，指導(dǎo)設(shè)計(jì)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(jī)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(dú)特的結(jié)構(gòu)形式層出不窮，如悉尼水上運(yùn)動(dòng)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(jí)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(jī)場機(jī)庫，大阪國際機(jī)場候機(jī)廳；另外還有輕型大跨結(jié)構(gòu)，如人行天橋和起重機(jī)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(diǎn)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(biāo)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(diǎn)。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(gè)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(diǎn)

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(jì)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(diǎn)，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(shí)。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(shí)的情況.

空間管桁結(jié)構(gòu)通常為三角形截面，與平面管桁結(jié)構(gòu)相比，它能夠具有大的跨度，且三角形桁架穩(wěn)定性好，扭轉(zhuǎn)剛度大且外表美觀。在不布置或不能布置面外支撐的場合，三角形桁架可提供較大跨度空間。一組三角形桁架類似于一榀空間剛架結(jié)構(gòu)，且更為經(jīng)濟(jì)?？梢詼p少側(cè)向支撐構(gòu)件，提高了側(cè)向穩(wěn)定性和扭轉(zhuǎn)剛度。對于小跨度結(jié)構(gòu)，可以不布置側(cè)向支撐。

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(huì)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(dāng)設(shè)計(jì)曲線型管桁結(jié)構(gòu)時(shí)，有時(shí)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(jī)將鋼管彎成曲管，這樣建筑效果更好。

2.4 管桁架的優(yōu)點(diǎn)

鋼管結(jié)構(gòu)因其具有優(yōu)美的外觀、合理的受力特點(diǎn)以及優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性，在現(xiàn)代工業(yè)廠房、倉庫、體育館、展覽館、會(huì)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?？萍汲恰⑹锥紮C(jī)場新航站樓、廣州新白云及長航站樓、廣州國際會(huì)展中心、上海新國際博覽中心、南京國際會(huì)展中心、南京奧林匹克體育場、江蘇省南通市體育會(huì)展中心等大型工程中均采用了鋼管結(jié)構(gòu)。工程實(shí)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(dá)到安全、適用、經(jīng)濟(jì)等性能指標(biāo)，符合鋼結(jié)構(gòu)的最新設(shè)計(jì)觀念。

鋼管截面具有一系列獨(dú)特的優(yōu)越性能，主要有以下幾個(gè)方面：

①圓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(jì)。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(diǎn)表達(dá)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(huì)兩端封閉，內(nèi)部不會(huì)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(hù)更為方便。

③鋼管截面的流體動(dòng)力特性好。承受風(fēng)力或水流等荷載作用時(shí)，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(xiàng)技術(shù)。

雖然就材料單價(jià)而言，鋼管價(jià)格高于普通開口截面形式的型鋼，但上述優(yōu)點(diǎn)綜合起來，鋼管結(jié)構(gòu)在眾多結(jié)構(gòu)形式中仍然是優(yōu)先選用的基本結(jié)構(gòu)形式之一。

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(diǎn)，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(jì)理念。此類結(jié)構(gòu)形式得到了廣泛的工程實(shí)踐應(yīng)用，具有強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。

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