大跨度管桁架屋蓋體系結構性能淺析

2009-05-25 04:25:28王海霞

中國新技術新產品 2009年5期

王海霞

摘要：本文采用的分析手段是建立在理論分析和實際工程計算緊密結合的基礎上的，所得出的結論具有一定的指導意義和工程應用價值，也為進一步探討空間鋼管桁架結構體系提供基礎。

關鍵詞：空間結構；鋼管桁架結構；屋蓋結構；計算分析

前言

空間鋼管桁架結構體系是大跨空間結構中的一個重要成員。鄭州大學新校區體育館由三組環向桁架、三組徑向桁架和三組撐桿為主要構件組成，外環、外部徑向桁架與中環構成結構的主要受力骨架，通過封閉外環的設計，使其形成一個受拉的環箍，限制了外部徑向桁架滑動支座端的徑向位移，從而減小了整個結構的豎向撓度，在此滿足規范要求的同時，使結構用鋼量達到最佳經濟指標。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及外圍處設置三道封閉的環桁架，沿徑向設置24道空間桁架，并以環桁架為分界沿圓周方向錯開布置，徑向桁架被劃分為外、中、內三部分。整個結構外觀簡潔，輕逸，受力合理，傳力直觀，整體性能好。對它進行探索有助于了解結構性能，指導設計施工，并為類似結構的應用提供依據。

1 管桁架結構概述

近年來，鋼管結構不僅在海洋工程、橋梁工程中得到了廣泛應用，而且在工業及民用建筑中的應用日益廣泛，鋼管結構在我國建筑結構中的應用也越來越多，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構構件，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，成都雙流機場屋蓋采用了圓鋼管作為主要受力構件。在公共建筑領域，鋼管結構中獨特的結構形式層出不窮，如悉尼水上運動中心，美國迦登格羅芙水晶教堂；單層大空間建筑領域，除了在超級市場、貨棧和倉庫中繼續廣泛應用外，還出現了一些超大型結構，如新加坡章楦機場機庫，大阪國際機場候機廳；另外還有輕型大跨結構，如人行天橋和起重機結構；其他特殊用途的結構，如天線桅桿和航天發射架等。2001年建成的建筑面積7250的北京植物園展覽溫室是國內首次采用相貫節點的曲線鋼管桁架結構。鋼結構用材為16Mn，鋼管最大規格為299mmx12mm，鋼結構總噸位720t。上海體育館的膜結構屋蓋主要由鋼管相貫而成的32榀桁架、環梁組成，呈南北對稱的馬鞍形狀，最大跨度288.4m，標高31.74-70.54m，主桁架最大鋼管直徑508mm，采用直接焊接K型節點。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，西側又有14m懸挑。采用的是鋼管拱架、檁架的結構方案。

2 鋼管桁架結構的形式及特點

2.1 管桁架的分類:根據受力特性和桿件布置不同，可分為平面管桁結構和空間管桁結構。平面管桁結構的上弦、下弦和腹桿都在同一平面內，結構平面外剛度較差，一般需要通過側向支撐保證結構的側向穩定。在現有管桁結構的工程中，多采用Warren桁架和Pratt桁架形式，Warren桁架一般是最經濟的布置，與Pratt桁架相比Warren桁架只有它一半數量的腹桿與節點，且腹桿下料長度統一，這樣可極大地節約材料與加工工時。Vierendeel桁架主要應用于建筑功能或使用功能不容許布置支撐斜桿時的情況.

空間管桁結構通常為三角形截面，與平面管桁結構相比，它能夠具有大的跨度，且三角形桁架穩定性好，扭轉剛度大且外表美觀。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構，且更為經濟。可以減少側向支撐構件，提高了側向穩定性和扭轉剛度。對于小跨度結構，可以不布置側向支撐。

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構；

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構；

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構。

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構。隨著社會對美學要求的不斷提高，為了滿足空間造型的多樣性，管桁結構多做成各種曲線形狀，豐富結構的立體效果。當設計曲線型管桁結構時，有時為了降低加工成本，桿件仍然加工成直桿，由折線近似代替曲線。如果要求較高，可以采用彎管機將鋼管彎成曲管，這樣建筑效果更好。

2.4 管桁架的優點

鋼管結構因其具有優美的外觀、合理的受力特點以及優越的經濟性，在現代工業廠房、倉庫、體育館、展覽館、會場、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用，如上海體育場、上海科技城、首都機場新航站樓、廣州新白云及長航站樓、廣州國際會展中心、上海新國際博覽中心、南京國際會展中心、南京奧林匹克體育場、江蘇省南通市體育會展中心等大型工程中均采用了鋼管結構。工程實際表明，鋼管結構既可以很好地滿足建筑要求，又能夠使結構達到安全、適用、經濟等性能指標，符合鋼結構的最新設計觀念。

鋼管截面具有一系列獨特的優越性能，主要有以下幾個方面：

①圓管和方管的管壁一般較薄，截面回轉半徑較大，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定設計。截面的閉合提高了抗扭剛度，對板件局部穩定性而言，閉合截面也優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表達其建筑意圖。

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，加之鋼管往往會兩端封閉，內部不會生銹，這就大大減少了防腐防火涂層的材料消耗和涂裝工作量。而且鋼管結構較易于清刷、油漆，故維護更為方便。

③鋼管截面的流體動力特性好。承受風力或水流等荷載作用時，荷載對鋼管結構的作用效應比其它截面形式結構的效應要低得多。

④鋼管加工便利。隨著多維數控切割技術的發展，鋼管的相貫線切割已經不再是難題，國內許多鋼結構加工廠家已經掌握了這項技術。

雖然就材料單價而言，鋼管價格高于普通開口截面形式的型鋼，但上述優點綜合起來，鋼管結構在眾多結構形式中仍然是優先選用的基本結構形式之一。

結語：利用空間鋼管桁架作為屋蓋結構具有很多優點，不僅滿足了本體育館大跨度的要求，而且作為一種結構體系，它符合了大跨空間結構的發展需要，營造了美學與力學的完美結合的設計理念。此類結構形式得到了廣泛的工程實踐應用，具有強勁的發展勢頭。

參考文獻

[1]龔云平.通用設計表達式中荷載與抗力分項系數的研究[D].西安建筑科技大學.2006年.

[2]顧建飛.預應力門式剛架的受力性能研究[D].浙江大學.2006年.

[3]蔡文琦.索膜結構的形態分析設計及靜力性能研究[D].浙江大學.2006年.

[4]陳志平.大型非錨固儲油罐應力分析與抗震研究[D].浙江大學.2006年.