空間桁架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在水利電力工程中的應(yīng)用

陳 凱

（上?？睖y設(shè)計(jì)研究院 上海 200434)

1 引言

空間桁架主要是由上弦桿、腹桿和下弦桿通過相應(yīng)節(jié)點(diǎn)連接而成的，截面呈三角形或四邊形的格構(gòu)式空間桿系結(jié)構(gòu)。從19世紀(jì)30年代由德國MERO提出空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)想，到1970年大阪世界博覽會(huì)盡現(xiàn)空間桁架的特殊魅力，再到近年來世界各國因舉辦大型體育賽事、展覽會(huì)等而大量興建此類結(jié)構(gòu)，空間桁架結(jié)構(gòu)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用與長足發(fā)展。

我國從20世紀(jì)90年代以來，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、社會(huì)的強(qiáng)大需求，特別是在經(jīng)歷了2008年奧運(yùn)會(huì)、2010年世博會(huì)之后，大量空間桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，使空間桁架結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計(jì)及施工技術(shù)均得到了長足的發(fā)展。空間桁架不僅在傳統(tǒng)的公共建筑中應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，且在水利電力等特殊工程也有廣泛應(yīng)用，結(jié)構(gòu)跨度已達(dá)350m以上，懸挑長度也已經(jīng)突破 50m，其中絕大部分結(jié)構(gòu)的用鋼量僅為 100kg/m2左右，相比其他空間結(jié)構(gòu)（如網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu))，其在跨度、用鋼量及形式適用性等綜合性方面具有一定優(yōu)勢，表1列出了近年來國內(nèi)外建造的典型公共建筑空間桁架工程。

本文在總結(jié)分析相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來國內(nèi)外大量空間桁架工程實(shí)例，總結(jié)了空間桁架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了空間桁架在水利電力工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，揭示了近年來空間桁架在大跨、高聳結(jié)構(gòu)中應(yīng)用日趨廣泛的原因，對比傳統(tǒng)公共建筑中的空間桁架，指出了其在水利電力等特殊工程中的特殊性及應(yīng)用價(jià)值。

2 空間桁架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)單元特性

空間桁架結(jié)構(gòu)從單元組成上講，主要是由相對于索、膜等柔性體系而言具有幾何確定性的，被稱為剛性單元的桁架桿單元或空間梁單元構(gòu)成，將單元依據(jù)造型和受力需要進(jìn)行幾何組合后，可以創(chuàng)造出平面桁架、立體桁架及拱桁架等諸多具體的結(jié)構(gòu)形式。明確了構(gòu)成空間桁架結(jié)構(gòu)的單元類型，也就基本上確定了用于結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)程序。

桿單元受軸向的拉壓力為主，適合用來模擬桁架、系桿等桿狀構(gòu)件。現(xiàn)代空間桁架結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析主要依靠基于離散化假定的空間桿系有限單元法（即空間桁架位移法)，該方法是基于桿/梁單元的特性，并結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)分析技術(shù)，而創(chuàng)造出來的一種高效率的數(shù)值分析方法，其實(shí)質(zhì)是將結(jié)構(gòu)離散化形成有限數(shù)量的桿/梁單元，用局部單元的精確解來逼近整體結(jié)構(gòu)的近似解，采用空間桿系有限元法可以分析任何形式、任意工況下的空間桁架結(jié)構(gòu)。

2.2 節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)是空間桁架結(jié)構(gòu)最重要的一個(gè)組成部分?？臻g桁架結(jié)構(gòu)能否大力推廣，關(guān)鍵在于節(jié)點(diǎn)。目前國內(nèi)外常用的空間桁架節(jié)點(diǎn)形式主要有相貫焊接節(jié)點(diǎn)、鑄鋼節(jié)點(diǎn)、螺栓球節(jié)點(diǎn)和焊接空心球節(jié)點(diǎn)等。

相貫焊接節(jié)點(diǎn)主要用于管桁架結(jié)構(gòu)，大多采用主管與支管直接相焊的形式，連接簡單、材料節(jié)省，無需任何附加形式節(jié)點(diǎn)，外形美觀，特別是在大跨度空間桁架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用普遍，但節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度一般低于桿件強(qiáng)度，一定程度上影響了這種結(jié)構(gòu)型式的經(jīng)濟(jì)性。如蘇州國際博覽中心屋面采用下弦是兩根平行鋼管的倒梯形空間相貫焊接管桁架，其下弦空間并聯(lián)K形圓鋼管相貫節(jié)點(diǎn)超出了現(xiàn)行有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的范疇。

表1 國內(nèi)外建造的典型公共建筑空間桁架工程

鑄鋼節(jié)點(diǎn)近年來在工程實(shí)踐中大量應(yīng)用，特別適合于空間桁架結(jié)構(gòu)中造型比較復(fù)雜、桿件交匯密集、受力相對集中的節(jié)點(diǎn)部位，可以很好地滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則，鑄鋼件材質(zhì)均勻性好、力學(xué)性能佳，與焊接節(jié)點(diǎn)相比，其可以緩解由于大量焊縫集中而導(dǎo)致的熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而直接改善桿件的抗疲勞性能，鑄鋼件制作工藝復(fù)雜，造價(jià)高，生產(chǎn)周期長。近年來建造的空間桁架結(jié)構(gòu)中，有大量節(jié)點(diǎn)形式采用了鑄鋼節(jié)點(diǎn)，其中天津奧林匹克中心體育場鋼管桁架結(jié)構(gòu)中的重要連接節(jié)點(diǎn)均采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和受力均很復(fù)雜。

螺栓球節(jié)點(diǎn)由于其現(xiàn)場施工容易、操作簡便，可避免高空焊接作業(yè)，且加工制作工藝簡單，便于量產(chǎn)；焊接空心球節(jié)點(diǎn)理論完善、傳力可靠、構(gòu)造簡單、價(jià)格便宜，球面與桿件相連時(shí)，只需鋼管沿正截面垂直切割，便能可靠連接。

2.3 與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的異同點(diǎn)

相比滿鋪式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和實(shí)腹式結(jié)構(gòu)，空間桁架可以看成是將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)局部抽空后，形成具有明顯主次方向的高次超靜定空間受力體系，結(jié)構(gòu)體系具多道防線，相比平面結(jié)構(gòu)具有更多的冗余自由度，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備高，結(jié)構(gòu)桿件布置靈活，尤其是當(dāng)需要構(gòu)筑任意曲線形狀時(shí)，空間桁架構(gòu)型優(yōu)勢明顯。在節(jié)點(diǎn)荷載作用下，桿件主要承受軸向的拉力與壓力，截面應(yīng)力分布均勻，可以充分發(fā)揮材料的性能，更加節(jié)省材料。

空間桁架和網(wǎng)架都是由桿件按照一定規(guī)律連接而成的空間桿系結(jié)構(gòu)，桿件受力特性相近。針對空間桁架結(jié)構(gòu)承受的特定外部載荷作用，可以通過調(diào)整桿件布置，使桿件內(nèi)力分布更為合理。而網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件內(nèi)力分布不均勻，部分桿件內(nèi)力偏大，在外部極限荷載作用下容易率先破壞，可能出現(xiàn)由于局部桿件的破壞而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的坍塌；部分桿件內(nèi)力又較小，不能充分發(fā)揮材料性能，很難做到結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的均勻連續(xù)。

空間桁架和網(wǎng)架均可采用空間桿系有限元法求解，在計(jì)算機(jī)技術(shù)沒有成熟之前，只能采用人為假定的近似方法來求解一些桿件分布很規(guī)律的桿系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在一段時(shí)間內(nèi)得到大力推廣的原因就在于采用了適于手算的擬夾層板分析法，而空間桁架構(gòu)型多變，很難采用適于手算的簡化計(jì)算模型，在一段時(shí)間內(nèi)阻礙了這種空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算水平不再成為限制空間桁架結(jié)構(gòu)發(fā)展的瓶頸，空間桁架必然會(huì)應(yīng)用于更多的工程實(shí)踐。

3 空間桁架在水利電力工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀

空間桁架在水利電力工程中已有廣泛應(yīng)用，如水利工程中閘上交通橋、閘門、樓屋蓋，水電站廠房或地下廠房屋蓋，輸電線路中的桁架塔，以及近年來風(fēng)電工程中廣泛建設(shè)的海上測風(fēng)塔等均見到空間桁架。表2列出了上?？睖y設(shè)計(jì)研究院在水利電力工程中設(shè)計(jì)完成的部分桁架工程，表3匯總了國內(nèi)已建主要海上測風(fēng)塔架工程。

余姚市陶家路出海閘遷建工程主體為一座56m寬的擋潮泄洪閘，共設(shè)5孔，中孔凈寬20m，邊孔為 9m，每孔閘設(shè) 1扇工作閘門，閘門采用管桁架式雙扉門結(jié)構(gòu)，由面板、桁架式主橫梁、豎向桁架、門背斜桿、邊梁等組成，桁架式主橫梁、豎向連接桁架及門背斜桿采用圓管桿件，用以減小受涌浪的沖擊力，且視覺通透造型優(yōu)美，節(jié)點(diǎn)采用管桁節(jié)點(diǎn)以節(jié)省用鋼量。

鎮(zhèn)江引航道水利樞紐“鎮(zhèn)江之門”連體建筑系由兩座塔樓及其頂端的連廊共同組成，其中連廊橫跨在兩座塔樓上，為多層空間桁架，其弦桿共計(jì)有4層，44.750m高程設(shè)下桁架，連廊屋頂設(shè)上桁架，上下桁架均為鋼管相貫焊接桁架，橫截面為四邊形，上桁架高2.6m，下桁架高1.8m，上下桁架間通過豎向腹桿連接形成整體桁架。

太浦閘改建工程中的啟閉機(jī)房，建筑采用了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)由橫向多榀多邊形鋼架通過縱向系桿連接而成，結(jié)構(gòu)橫斷面由典型鋼架按照一定規(guī)律旋轉(zhuǎn)后由縱向連接系相貫連接成整體空間桁架結(jié)構(gòu)單元，整個(gè)結(jié)構(gòu)給人以波濤起伏的律動(dòng)的美感。

東海奉賢和南匯海域的兩座測風(fēng)塔是我國也是亞洲第一批建設(shè)的海上測風(fēng)塔，由上海市發(fā)改委委托上?？睖y設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)、總承包，2006年9月竣工，至今運(yùn)行良好。其中上海南匯海上測風(fēng)塔，位于海中高8m的混凝土平臺(tái)上，塔架高62m，采用了自立式鋼管桁架，四根立柱中心對稱布置成正方形橫截面，由下至上分段法蘭連接，橫截面邊長（立柱中心間距)底部為3.3m，10m高程處為 3.22m，頂部為 0.82m；交叉斜腹桿采用螺栓連接；塔架兩側(cè)對稱設(shè)置了6層共12處測風(fēng)儀支撐桿，支撐桿長度約為所在高程處塔架橫截面邊長的3倍；所有桿件均采用圓鋼管制作，單個(gè)塔架用鋼量約20t。

4 水利電力工程中空間桁架的特殊性及應(yīng)用前景

相比傳統(tǒng)工程中的空間桁架，由于結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的不同及工程上對結(jié)構(gòu)使用功能的特殊要求，在水利電力等工程中的空間桁架具有不同于一般桁架的特殊性。

首先，水利電力工程一旦失事，后果嚴(yán)重，因此要求結(jié)構(gòu)體系具多道防線及具備較高安全冗余度；其次，水利工程中的屋（樓)蓋往往置于比較狹長的地下洞室或跨河樞紐建筑物之上，水電設(shè)備又常常要求廠房具備大跨無柱使用空間；再者，諸如水工鋼閘門這樣的特種鋼結(jié)構(gòu)不僅要求重量輕，更對剛度、變形有嚴(yán)格限制；另外，一些特種結(jié)構(gòu)因特殊環(huán)境條件還有自身特點(diǎn)，如海上測風(fēng)塔架建于海中平臺(tái)上，施工場地位于海上，作業(yè)條件惡劣，日常活動(dòng)只能在船只上進(jìn)行，遇不利氣候往往不能施工，一般采用占地較少的自立式空間桁架塔。

空間桁架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)很好地滿足了水利電力工程對于結(jié)構(gòu)的特殊要求?？臻g桁架作為一種空間結(jié)構(gòu)體系，整體剛度大、承載能力高，相比平面結(jié)構(gòu)具有更多的冗余自由度，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備高，結(jié)構(gòu)桿件在三維空間中按照一定規(guī)律有機(jī)結(jié)合，形成一個(gè)幾何確定、受力明確的空間結(jié)構(gòu)體系，特別適合應(yīng)用于承受較大荷載作用的水工結(jié)構(gòu)物。

現(xiàn)代城市水利工程除要求結(jié)構(gòu)安全可靠外，越來越關(guān)注結(jié)構(gòu)的外觀特性，很多結(jié)構(gòu)物在建造初期便被要求成為當(dāng)?shù)氐牡貥?biāo)性建筑，以往水工結(jié)構(gòu)物常常給人以“沉悶，單調(diào)”的感覺，在結(jié)構(gòu)型式上沒有太多的變化，而空間桁架這種結(jié)構(gòu)型式恰恰呈現(xiàn)出“靈活、多變”的風(fēng)格，其造型優(yōu)美、構(gòu)型多變的外觀特點(diǎn)很好地迎合了現(xiàn)代水利工程對于結(jié)構(gòu)造型的特殊要求，可以預(yù)見空間桁架在未來水利電力工程中的應(yīng)用前景將更為寬廣。

表2 水利電力工程中的典型空間桁架

表3 國內(nèi)部分已建海上測風(fēng)塔

5 結(jié)語

空間桁架結(jié)構(gòu)幾何確定、受力明確、整體剛度大、承載能力高、穩(wěn)定性好，且造型優(yōu)美、構(gòu)型多變、桿件均勻及節(jié)點(diǎn)連接可靠、便捷。

空間桁架能很好地適應(yīng)水利電力工程對長大空間、結(jié)構(gòu)剛度與可靠度、建筑造型以及特殊場地的要求，在如機(jī)架橋屋頂、地下廠房屋蓋、大跨度水工廠房樓蓋、交通橋、機(jī)架橋、通訊或輸電塔架、海上平臺(tái)或塔架、水工鋼閘門等水利電力工程相關(guān)的建（構(gòu))筑物中已有成功應(yīng)用。

空間桁架因其造型優(yōu)美、構(gòu)型多變的外觀特點(diǎn)很好地迎合了現(xiàn)代水利工程對于結(jié)構(gòu)造型的特殊要求，可以預(yù)見在未來水利電力工程中空間桁架的應(yīng)用前景將更為寬廣。