大跨度空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用和前景展望

孫琳璘（東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江　哈爾濱　150040）

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大跨度空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用和前景展望

孫琳璘
（東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）

摘要：結(jié)合空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)在大跨度建筑物中的應(yīng)用，分析了空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)點(diǎn)，并闡明了空間管桁結(jié)構(gòu)在建筑市場中的應(yīng)用前景，探討了其不足，以促進(jìn)大跨度空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的推廣使用。

關(guān)鍵詞：空間鋼管桁架，大跨度結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能

0　引言

空間結(jié)構(gòu)是相對于平面結(jié)構(gòu)而存在的，而對于空間結(jié)構(gòu)而言，空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)不僅僅表現(xiàn)在三維受力，而且其可以通過曲面形體有效地抵抗外荷載的作用。跨度越大，空間結(jié)構(gòu)越能展現(xiàn)其優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，所以大跨度建筑大多采用各種形式的空間結(jié)構(gòu)體系。大跨結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有自重輕，經(jīng)濟(jì)性好；剛度好，抗震性能好；便于工業(yè)化生產(chǎn)；形式多樣化，造型美觀；建筑，結(jié)構(gòu)和使用功能統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)。

常見的大跨屋蓋剛性空間結(jié)構(gòu)形式有三種：薄殼結(jié)構(gòu)，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，立體桁架結(jié)構(gòu)。我國目前的鋼管桁架結(jié)構(gòu)也越來越受重視。鋼管桁架結(jié)構(gòu)是以鋼管通過焊接有機(jī)連接成的一種結(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，其側(cè)向穩(wěn)定性需要側(cè)向支撐才可以保證。而空間管桁結(jié)構(gòu)是在網(wǎng)殼和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，通常為三角形截面，穩(wěn)定性好，現(xiàn)如今在工程中應(yīng)用廣泛。

1　鋼管桁架在大跨結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實(shí)例

近年來我國鋼鐵產(chǎn)量不斷增加，管桁架被廣泛的使用，在建筑中所占的比例越來越大，廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑中的大跨度廠房，以及民用建筑中的影劇院，體育館，展覽館等大型公共建筑中。

圖1為常見的空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)示意圖

1.1國外的應(yīng)用實(shí)例

鋼管結(jié)構(gòu)最初應(yīng)用于海上平臺等海上結(jié)構(gòu)或近海結(jié)構(gòu)，1947年墨西哥海灣建成了世界上第一個(gè)現(xiàn)代化海洋平臺［1］，本來人們對焊接鋼管節(jié)點(diǎn)的性能了解很少，這個(gè)工程促使人們意識到鋼管作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)越性能，并開始探索鋼管結(jié)構(gòu)的性能。之后各國都出現(xiàn)了許多功能良好，造型優(yōu)美的鋼管結(jié)構(gòu)。

1939年建成的德國斯圖加特機(jī)場的機(jī)場大廳采用的是樹枝狀鋼管支撐結(jié)構(gòu)（見圖2）。

1980年竣工的美國洛杉磯水晶教堂造型美觀，能夠抵抗強(qiáng)震和大風(fēng)；日本大阪關(guān)西國際機(jī)場以及悉尼國際水上運(yùn)動中心等也是采用的空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)。

其中日本關(guān)西國際機(jī)場反映了20世紀(jì)末人類的最新技術(shù)成就——符合空氣動力學(xué)的屋架結(jié)構(gòu)，其輕質(zhì)的鋼管空間桁架由雙桿支撐，二者共同構(gòu)成了拱力作用的角度，使得結(jié)構(gòu)具有良好的側(cè)向抗震力（見圖3）。

圖2　德國斯圖加特機(jī)場

圖3　日本關(guān)西國際機(jī)場

1.2國內(nèi)的應(yīng)用實(shí)例

我國的鋼管結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用是在最近20年，相對于歐洲的一些國家，雖然發(fā)展起步較晚，但是空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)在大跨度建筑物中的應(yīng)用也有很多（見表1）。

表1　鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例表

以上工程實(shí)例所采用的截面形式均為圓管，如圖4所示。

圖4　截面形式

2008年北京奧運(yùn)會場館鳥巢為我國的空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展樹立了新的里程碑，鳥巢的結(jié)構(gòu)形式十分新穎，該結(jié)構(gòu)尺寸340 m×292 m，其屋面結(jié)構(gòu)類型是鳥巢形空間交錯桁架。此外國內(nèi)的大型工程應(yīng)用還有深圳會展中心，深圳寶安體育館，太原新建火車南站等。

大跨度空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)在橋梁和公路上的應(yīng)用也十分廣泛，例如重慶朝天門大橋和高速公路收費(fèi)屋蓋等［2］。就重慶的地標(biāo)性建筑朝天門大橋而言，其鋼主梁與拱腳和邊拱共同平衡拱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平推力，整體剛度有了很大的提高，并且該結(jié)構(gòu)具有良好的經(jīng)濟(jì)性能。廣州體育館訓(xùn)練館見圖5，重慶朝天門大橋見圖6。

圖5　廣州體育館訓(xùn)練館

圖6　重慶朝天門大橋

2　空間鋼管桁架的優(yōu)點(diǎn)

2.1鋼管具有優(yōu)越的力學(xué)性能

最常見的鋼管截面形狀有圓管和方管兩種，對于同一種材料來說，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與截面形式無關(guān)，只與截面面積有關(guān)，所以鋼管結(jié)構(gòu)更省材料；而抗彎和抗扭強(qiáng)度受截面形式影響，離截面形心越遠(yuǎn)，受力越大，根據(jù)公式：

其中，Ip為抗扭慣性矩，所以質(zhì)點(diǎn)距離中性軸越遠(yuǎn)，Ip越大，承載力越大，所以鋼管結(jié)構(gòu)有提高承載力這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

不同截面形式的鋼管的力學(xué)性能：

圓管和方管這兩種截面的鋼管均具有雙軸對稱、截面形心和剪心重合的特點(diǎn)［3］。鋼管的截面閉合，抗扭性能好，局部穩(wěn)定性好。相比較來說，圓管的抗扭性能比方管強(qiáng)，抗彎性能較方管弱。方管的相貫線是直線，便于施工焊接（見表2）。

表2　圓管和方管的性能比較［3］

2.2經(jīng)濟(jì)性能好

由于截面使用的是薄壁鋼管，減輕自重而且經(jīng)濟(jì)性能增加。各鋼管之間的連接采用的是焊接方法，不需要螺栓等多余的連接件，施工簡單方便，節(jié)省鋼材。而且鋼管結(jié)構(gòu)封閉，比表面積小，無死角，節(jié)省了防腐和除塵材料的費(fèi)用。

2.3外形美觀

鋼管桁架結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)處采用的是桿件直接焊接的相貫節(jié)點(diǎn)，其構(gòu)造簡單明了，且傳力路徑明顯，還可以與其他結(jié)構(gòu)以很好的方式結(jié)合，造型多樣化，具有流暢的視覺效果［4］。

2.4自重輕，強(qiáng)度高

空間管桁結(jié)構(gòu)采用的是薄壁鋼管，而且沒有多余的螺栓連接件，鋼材使用較少，質(zhì)量較輕；鋼管結(jié)構(gòu)直徑大且壁薄，其回轉(zhuǎn)半徑較大，抗壓和抗扭性能較好，整體剛度較大。圓管是流線形，表面承受風(fēng)荷載或者流體荷載時(shí)，荷載效應(yīng)較其他截面形式較低，結(jié)構(gòu)更為安全，且其連接簡單方便，穩(wěn)定性突出，在大跨度結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定性很高。

3　空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的不足及展望

3.1空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的不足

1）空間鋼結(jié)構(gòu)作為一個(gè)國家綜合國力的體現(xiàn)，在近年來的應(yīng)用不斷增多。但是我國與歐洲的一些國家相比，鋼管結(jié)構(gòu)的發(fā)展仍然有點(diǎn)落后，而且造型新穎的結(jié)構(gòu)相對較少。

2）我國應(yīng)用空間鋼管桁架的大跨度建筑物結(jié)構(gòu)樣式有待進(jìn)一步設(shè)計(jì)美化。

3）大跨度空間管桁結(jié)構(gòu)對承載力和穩(wěn)定性的要求很高，設(shè)計(jì)中稍有差池，結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)局部失穩(wěn)或整體失穩(wěn)的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的崩塌，造成嚴(yán)重的損失。近年來，國內(nèi)外就鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題取得了較多的成果，但是仍需進(jìn)一步研究。

3.2展望

近年來管桁架結(jié)構(gòu)理論不斷地發(fā)展完善，并且廣泛應(yīng)用于大跨度結(jié)構(gòu)中，且其具有自重較輕，經(jīng)濟(jì)性能好，力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，并且根據(jù)以往的工程實(shí)例可以看出大跨度空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)不僅滿足了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等工程設(shè)計(jì)要求，而且提高了建筑的綜合使用效益。大跨度空間鋼管桁架還有很廣泛的應(yīng)用前景值得進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

［1］秦文，陳小才.空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.科學(xué)之友，2011（14）：37-38.

［2］黃江.大跨度管桁架承載力及穩(wěn)定性分析［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

［3］吳耀華，吳文奇.鋼管在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2005，2（20）：50-51.

［4］白龍.大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的幾種選型對比和改進(jìn)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2014.

The engineering application and outlook of large-span spatial steel pipe truss structure

Sun Linlin
（Civil Engineering College，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Abstract：Combining with the application of spatial steel pipe truss structure in large-span buildings，this paper analyzed the advantages of spatial steel tube truss structure，and illustrated the application prospect of spatial steel tube truss structure in construction market，discussed its disadvantages，so as to promote the promotion and application of large-span spatial steel pipe truss structure.

Key words：spatial steel pipe truss，large-span structure，mechanical property

中圖分類號：TU392.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0056-02

收稿日期：2015-12-18

作者簡介：孫琳璘（1995-），女，在讀本科生