空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用

秦 文，陳小才

（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

大跨度空間結(jié)構(gòu)是衡量一個(gè)國(guó)家建筑科技水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是一個(gè)國(guó)家文明發(fā)展程度的象征，世界各國(guó)都十分重視大跨度空間結(jié)構(gòu)理論和技術(shù)研究。近10年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，形態(tài)各異的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在體育場(chǎng)館、會(huì)展中心、影劇院、大型商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)車站等建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)相應(yīng)進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期?？臻g鋼管桁架結(jié)構(gòu)作為大跨空間結(jié)構(gòu)的一個(gè)分支，廣泛應(yīng)用到各大工程中。

1 鋼管桁架結(jié)構(gòu)的概述

鋼管桁架結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單來說就是指由鋼管制成的桁架結(jié)構(gòu)體系，因此又稱為管桁架或管結(jié)構(gòu)。主要是利用鋼管的優(yōu)越受力性能和美觀的外部造型構(gòu)成獨(dú)特的結(jié)構(gòu)體系，滿足鋼結(jié)構(gòu)的最新設(shè)計(jì)概念。

鋼管截面各向等強(qiáng)度，抗扭剛度大；受彎無弱軸，承載能力高；圓形截面繞流條件和視覺效果好；端頭封閉后抗腐蝕性能好。此外，鋼管組成的結(jié)構(gòu)輕巧美觀，而且用鋼量比型鋼組成的結(jié)構(gòu)省。鋼管外表面面積往往比同樣承載性能的開口截面鋼構(gòu)件要小，這樣可以減少涂漆，降低防火保護(hù)費(fèi)用，在清潔要求較高的場(chǎng)合，像化工廠或食品加工廠的設(shè)備，鋼管結(jié)構(gòu)較容易除塵，且沒有容易積聚灰塵的地方。因此，鋼管結(jié)構(gòu)不僅在海洋工程、橋梁工程、塔桅工程中都得到了廣泛的應(yīng)用，在工業(yè)及民用建筑中的應(yīng)用也日益廣泛。

鋼管桁架結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)處采用桿件直接焊接的相貫節(jié)點(diǎn)。在相貫節(jié)點(diǎn)處，只有在同一軸線上的兩個(gè)主管貫通，其余桿件（即支管）通過端部相貫線加工后，直接焊接在貫通桿件（即主管）的外表面；非貫通桿件在節(jié)點(diǎn)部位可能有一定間隙（間隙型節(jié)點(diǎn)），也可能部分重疊（搭接型節(jié)點(diǎn)）。相貫線切割曾被視為難度較高的制造工藝，因?yàn)榻粎R鋼管的數(shù)量、角度、尺寸的不同使得相關(guān)線形態(tài)各異，而且坡口處理困難，但隨著多維數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展，這些難點(diǎn)已被克服。相貫節(jié)點(diǎn)鋼管桁架結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中得到了前所未有的應(yīng)用。

2 鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)際《空間結(jié)構(gòu)》雜志主編馬考夫斯基（Z.S.Makowski）曾有過以下表述：30年前“空間結(jié)構(gòu)還被認(rèn)為是一種有興趣但仍屬陌生的非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然而今天已經(jīng)被全世界廣泛接受”?？梢赃@樣說，大跨空間結(jié)構(gòu)在近20年來發(fā)展迅速、方興未艾，而大型公共建筑一直是空間鋼結(jié)構(gòu)的主要生長(zhǎng)點(diǎn)。

空間鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家土木建筑業(yè)水平的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，也是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的體現(xiàn)。因此，世界各國(guó)對(duì)空間鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展一直給予高度的重視?，F(xiàn)分別結(jié)合國(guó)內(nèi)外一些典型工程，以此來回顧空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程。

2.1 國(guó)外鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展

世界上第一個(gè)現(xiàn)代化的海洋平臺(tái)于1947年在墨西哥海灣建成，當(dāng)時(shí)工程師對(duì)焊接鋼管節(jié)點(diǎn)的性能幾乎一無所知，然而正是第一個(gè)海洋平臺(tái)的建成，人們才開始認(rèn)識(shí)到鋼管作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)越性。1970年英國(guó)Sheffield大學(xué)的Easttwood與wood提出了非常重要的鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。1971年Stelco公司出版了世界上第一本鋼管連接設(shè)計(jì)手冊(cè)，1981年該公司又出版了此手冊(cè)的第二版；20世紀(jì)70年代末80年代初國(guó)際管結(jié)構(gòu)和研究會(huì)（CIDECT）也開始了大量的研究工作；隨后在1981年國(guó)際焊接協(xié)會(huì)（IIW）發(fā)表了一套新的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，并于1982年對(duì)該方法作了修正，這些方法被公認(rèn)為是比較合理的鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。隨后在20世紀(jì)80年代學(xué)者們對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有了較深的認(rèn)識(shí)，并有了一些關(guān)于鋼管的正規(guī)出版物，如，CIDECT Book；1985年后IIW又給出了焊接鋼管連接的疲勞設(shè)計(jì)，更新了其靜載焊接連接設(shè)計(jì)方法，出版了這一設(shè)計(jì)方法的第二版（IIW 1989），新的設(shè)計(jì)方法得到國(guó)際上的廣泛認(rèn)可，被許多國(guó)際組織采用。近年來國(guó)外空間鋼桁架結(jié)構(gòu)的部分工程見表1。

表1 近年來國(guó)外空間鋼桁架結(jié)構(gòu)的工程信息

2.2 國(guó)內(nèi)鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展

我國(guó)鋼桁架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)比較薄弱，但隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和綜合國(guó)力的顯著提高、工程實(shí)踐數(shù)量的增多，我國(guó)空間鋼桁架結(jié)構(gòu)的技術(shù)水平也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，尤其是2008年奧運(yùn)會(huì)主場(chǎng)館鳥巢的落成，為國(guó)內(nèi)鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展樹立了新的里程碑。以藍(lán)天、張毅剛為代表的一些學(xué)者進(jìn)行了較為系統(tǒng)的桁架動(dòng)力性能研究，并在研究的基礎(chǔ)上提出了較為實(shí)用、簡(jiǎn)便的地震作用設(shè)計(jì)方法，這對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的常規(guī)抗震設(shè)計(jì)提供了重要的參考。近年來我國(guó)國(guó)內(nèi)空間鋼桁架結(jié)構(gòu)的部分工程見表2。

表2 近年來國(guó)內(nèi)空間鋼桁架結(jié)構(gòu)的工程信息

總體來說，與國(guó)際先進(jìn)水平相比較，我國(guó)空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展仍比較滯后，主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)選型較拘謹(jǐn)，很少有大膽創(chuàng)新之作，在某些新穎結(jié)構(gòu)形式上還處于艱難的起步階段；而且我國(guó)還沒有專門的關(guān)于鋼管桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范，相應(yīng)可參考的設(shè)計(jì)資料也較少，這給此類結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用帶來了很大的困難。但近20年來，隨著1982年我國(guó)空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)團(tuán)體——空間結(jié)構(gòu)委員會(huì)的成立，鋼管結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到了極大發(fā)展。伴隨著我國(guó)改革開放取得的巨大成就及北京奧運(yùn)會(huì)和上海世博會(huì)的成功舉辦，鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景也越來越廣闊。面對(duì)未來新的挑戰(zhàn)，作為專業(yè)人員需要努力使其躍上一個(gè)新的臺(tái)階，完善我國(guó)鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

3 結(jié)束語

空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的造型優(yōu)勢(shì)在越來越多的工程中得以應(yīng)用。但相對(duì)于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，目前關(guān)于空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的研究還相對(duì)匱乏，沒有形成系統(tǒng)性的方法?？臻g鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展空間還很廣泛，有待學(xué)者們進(jìn)行更深層次的研究。