矩形鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計淺談

張海斌 徐樹全

摘 要：矩形鋼管結(jié)構(gòu)由于具有造型豐富、受力明確、用鋼量省、施工方便等特點而被廣泛地應(yīng)用在建筑設(shè)施中。然而我國截至目前尚未形成獨立的矩形鋼管結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)范和章程，一般在設(shè)計中都是以國內(nèi)相關(guān)設(shè)計規(guī)范及設(shè)計經(jīng)驗參考進行的。本文從矩形鋼管結(jié)構(gòu)的概念入手，著重闡述了其有關(guān)設(shè)計方面的一些要點。

關(guān)鍵詞：矩形鋼管；結(jié)構(gòu)設(shè)計；承載力

中圖分類號：TU392.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）07-0032-01

鋼管結(jié)構(gòu)以其承載能力強、延性和抗震性能高優(yōu)勢被廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)代化各類工程項目中，尤其是在土木工程領(lǐng)域，這一結(jié)構(gòu)應(yīng)用更為廣泛、地位尤為突出。然而就我國目前的鋼管結(jié)構(gòu)應(yīng)用而言，其應(yīng)用范圍很廣，特別是在一些高層、大跨度以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)中更為常見，作用也更加的明顯。但是就矩形鋼管結(jié)構(gòu)體系這一概念而言，其尚未形成一個系統(tǒng)的設(shè)計流程。因此，在今后的工作中我們有必要就其設(shè)計環(huán)節(jié)深入分析，提出可靠的設(shè)計理論。

1 矩形鋼管結(jié)構(gòu)概述

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，國內(nèi)建材市場也呈現(xiàn)出水漲船高之勢，各種新材料、新設(shè)備不斷的涌現(xiàn)了出來，為建筑事業(yè)的發(fā)展打下了堅實可靠的市場基礎(chǔ)，也為節(jié)能、環(huán)保建筑理念的落實提供了科學(xué)的指導(dǎo)思想。鋼管結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代化工程項目中研究最多的結(jié)構(gòu)體系之一，其伴隨人們生活水平的提升也呈現(xiàn)出各種不同的發(fā)展力度和要求。矩形鋼管結(jié)構(gòu)便是基于這種時代背景下產(chǎn)生的一種結(jié)構(gòu)形式，它的應(yīng)用有效的解決了建筑結(jié)構(gòu)呆板與缺乏變通問題。

1.1 矩形鋼管

矩形鋼管也統(tǒng)稱為矩形管，是一種中間空、呈長條形或方形的一種鋼管材料，它也被廣泛的稱之為扁管、方扁管等。在當今社會發(fā)展中，它被大量地用于建筑工程領(lǐng)域，當作主要的結(jié)構(gòu)施工材料采用，同時也用于輸送流體的管道，更有甚者被廣泛的應(yīng)用在機械生產(chǎn)制造領(lǐng)域。在目前的建筑工程領(lǐng)域，鋼管材料主要可以分為熱加工管和冷成型管兩部分。

1.2 鋼管結(jié)構(gòu)

所謂的鋼管結(jié)構(gòu)主要指的是由圓管、矩形管、方管制作加工而形成的一種結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)在目前的建筑工程項目中可以當作獨立的梁、柱構(gòu)件，也可以結(jié)合其他的輔材等共同組成空間結(jié)構(gòu)受力體系，如鋼管桁架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。鋼管結(jié)構(gòu)體系節(jié)點連接形式多樣，實際工程中主要采用管管相貫節(jié)點與球節(jié)點。鋼管結(jié)構(gòu)體系具有結(jié)構(gòu)形式靈活、自身剛度大，用鋼量小，施工方便，適用于復(fù)雜多變的建筑形式等特點，備受建筑師青睞。矩形鋼管結(jié)構(gòu)就是以矩形管為基本構(gòu)件單元形成的鋼管結(jié)構(gòu)受力體系。

2 矩形鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

美國、英國、日本等發(fā)達國家在目前的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于矩形鋼管結(jié)構(gòu)的研究極為深入，也是整個結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范最為明確的國家之一。在這些國家工作中，通過對其組合規(guī)范設(shè)計標準進行逐個分類，根據(jù)矩形鋼管的設(shè)計條款、形狀特征以及應(yīng)用部位進行嚴格控制。事實上，在矩形鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計當中，不少條例中明確的規(guī)定出在工作開展之前提前做好相關(guān)的控制和管理工作，尤其是圖紙設(shè)計與管理更為嚴格。特別是在住宅建筑結(jié)構(gòu)中，因為住宅建筑結(jié)構(gòu)本身存在的特殊性和與人們生活的密切性，這使得設(shè)計工作要更加嚴格，以保證住宅結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量。矩形鋼管結(jié)構(gòu)便是在這種基礎(chǔ)下形成的，它在住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中發(fā)揮著顯著的優(yōu)越性。國內(nèi)很多學(xué)者結(jié)合國外先進技術(shù)和國內(nèi)工程現(xiàn)狀有針對性的對矩形鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進行了研究，結(jié)合最新的科研成果，我國正在不斷完善有關(guān)矩形鋼管的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范與規(guī)程，這必然會給工程設(shè)計和施工提供扎實的理論參考和指導(dǎo)。

2.1 節(jié)點構(gòu)造設(shè)計

與普通的鋼桁架相比較，矩形鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計節(jié)點存在著顯著的特殊性。一般而言，在設(shè)計工作中需要從節(jié)點的造型入手，做到間隙節(jié)點、部分搭接節(jié)點、全搭接節(jié)點的合理控制，保證施工要點。但是在設(shè)計中設(shè)計原則和方法與普通的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計基本相同，同時應(yīng)當遵循《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，以該設(shè)計規(guī)范中所提出的相關(guān)要求為基準科學(xué)地進行設(shè)計，從而保證設(shè)計與施工的順利開展。

2.2 構(gòu)件穩(wěn)定性設(shè)計

在目前的矩形鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，通常規(guī)定矩形管的最大外緣尺寸與壁厚之比不應(yīng)超過。對軸心受力構(gòu)件主要計算其強度和穩(wěn)定性，強度計算時，應(yīng)采用構(gòu)件的有效截面積，對受壓構(gòu)件應(yīng)采用構(gòu)件的有效凈截面積。對實腹式雙軸對稱閉口截面的壓彎構(gòu)件，主要計算其平面外的穩(wěn)定性以及最大剛度平面（通常是彎矩平面）的強度和穩(wěn)定性。對實腹式雙向彎曲的雙軸對稱閉口截面的壓彎構(gòu)件，應(yīng)驗算任意平面內(nèi)的強度和穩(wěn)定性，并均應(yīng)采用構(gòu)件的有效凈截面積和有效的凈截面抵抗矩，對歐拉力的計算采用構(gòu)件的毛面積。

2.3 矩形管桁架設(shè)計

在矩形管桁架設(shè)計工作中，通常情況下都是選擇常規(guī)計算方法來進行計算，是以節(jié)點最少、布置最為簡單、方案最為經(jīng)濟的方法將其節(jié)點應(yīng)力轉(zhuǎn)化成為等效荷載，按照交接無偏心的方式來確定桿件的軸力，從而達到合理設(shè)計目的。

2.4 焊縫設(shè)計

一般來說，在工程項目中，焊縫節(jié)點在確定的時候應(yīng)當提前計算出焊縫承載能力，除了在某些搭接點部位需要制定出K、N等特殊形式的節(jié)點之外，同時還應(yīng)當對對接焊縫、角焊縫或二者相結(jié)合所產(chǎn)生的焊縫進行控制。一般在焊縫控制中其承載力不能小于支管承載力強度要求。在焊縫設(shè)計中，一般都是選擇繞支管邊長最小尺寸進行控制。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范在焊縫設(shè)計中給出了一些通用的保守計算方法，它是通過腹桿沿著其四周焊接，這樣可以利用規(guī)范中的相應(yīng)條款來計算出焊縫的應(yīng)力與焊縫長度。

3 結(jié)語

總之，隨著矩形鋼管結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，矩形鋼管結(jié)構(gòu)體系在建筑領(lǐng)域所起到的作用必然得到工程界的認可，矩形鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計工作也會受到社會各界人士的重視，同時有關(guān)設(shè)計規(guī)范的更新與頒布更是為其發(fā)展打下了扎實的理論基礎(chǔ)。因此，我們可以預(yù)計在未來建筑發(fā)展中，矩形鋼管結(jié)構(gòu)必然會迎來更大的發(fā)展空間，其應(yīng)用也必然更加廣泛。

參考文獻

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