鋼管結構在建筑中的應用研究

郭玉紅

摘要：鋼管結構是指鋼結構的全部或部分結構構件采用空心鋼管的結構。空心管包括圓管、方管、矩形管以及多邊形管(六角管)等。世界上第一個現代化的海洋平臺于1947年在墨西哥海灣建成，從此以后，工程師們開始對鋼管結構的性能逐漸了解，鋼管結構隨著近代鋼管生產技術的成熟而逐漸發展起來。就鋼構件形式而言，最早為圓銅管結構，隨后出現了方鋼管結構及方鋼管和圓鋼管組合在一起的結構。就結構形式而言，平面或空間桁架、網架、網殼、框架都可以采用鋼管結構。隨著鋼管結構的不斷發展，其應用范圍越來越廣，鋼管結構不僅應用在海洋平臺、橋梁、塔桅和起重機械工程，而且應用于工業廠房、飛機庫、體育館、展覽館和商場等眾多工業與民用建筑工程。

關鍵詞：鋼管結構；應用特點；問題；研究

中圖分類號：TU392.3

文獻標識碼：A

文章編號：1672—3198(2009)11—0288.01

1鋼管結構在建筑結構中的應用

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。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。

2鋼管桁架結構的形式及特點

鋼管桁架結構是鋼管結構中的重要一種，它是桁架結構采用鋼管材料構成的一種結構形式，也稱鋼桁結構、管桁架和管結構等。由于適應性比較強，近年來在大跨空間結構中得到了廣泛應用。管桁結構的結構體系為平面或空間桁架，與一般桁架的區別在于連接節點的方式不同：網架結構采用螺栓球或空心球節點。過去的屋架經常采用板型節點，而管桁結構在節點處采用的是桿件直接焊接的相貫節點(或稱管節點)。在相貫節點處，只有在同一軸線上的兩個主管貫通。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)的外表非貫通桿件在節點部位可能有一定間隙(間隙型節點)，也可能部分重疊(搭接型節點)。相貫線切割曾被視為是難度較高的制造工藝。因為交匯鋼管的數量、角度、尺寸的不同使得相貫線形態各異，而且坡口處理困難。但隨著多維數控切割技術的發展。這些難點已被克服。目前國內的一些企業裝備了這一技術，相貫節點管桁結構在大跨度建筑中得到了前所未有的應用。

(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品空間剛架結構，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)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。接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。

(3)管桁架的優點。隨著大型公共建筑的發展，對結構的空間和跨度的要求越來越高，空間鋼管桁架以其良好的承載和穩定性能得到了廣泛的應用。空間鋼管桁架的結構形式按照桁架的截面形式可分為三角形空間桁架、四邊形空間桁架、多邊形空間桁架及變截面空間桁架等。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

3管桁架結構的研究現狀及存在的問題

鋼管結構的應用最早起始于英國，隨后在20世紀80年代人們對鋼管結構設計有了較深的認識，并有了一些有關鋼管的正規出版物，如“CIDECT Book'；1985年后IIW又給出了焊接鋼管連接的疲勞設計，對其靜載焊接連接設計方法進行了更新，出版了這一設計方法的第二版(IIW 1989)，新的設計方法得到了國際上的廣泛認可，被許多國際組織采用，如歐洲規范Eurocode3、美國的AWS、以及CIDECT的設計指南等。桁架結構設計主要是外形尺寸、構件尺寸及節點形式的設計。外形設計主要是桁架的總體布置、跨度、高度、節間距離、桁架間距及腹桿的布置，應盡量減少連接數量I構件尺寸的選擇與節點形式相關聯，應通過節點承載力計算以及構件強度及穩定性驗算來確定。國內外對于管桁架結構的研究，主要集中在管節點的分析。因為節點的破壞往往導致與之相連若干桿件的失效。從而使整個結構破壞。對管節點靜力性能的研究方法，主要有三類：試驗、解析理論和數值分析(有限元方法)。

(1)試驗研究：起初，人們只能通過試驗來認識管節點的承載性能，驗證設計方案。20世紀60年代，利用鋼模型進行了各種管節點的靜載試驗和疲勞試驗。1974年首次進行了空間管節點的模型試驗，測試了4個KK型管節點在軸力作用下的承載力。1990年測試了軸力作用下KK型空間管節點。近年來，管節點在民用建筑中的廣泛應用，使管節點研究受到重視。沈祖炎等(1998)進行了n個試件的K型管節點的模型試驗，檢驗了上海八萬人體育館懸挑主桁架的節點設計方案。

(2)經典解析理論研究：由于管節點是由幾個圓形鋼管焊接而成的結構，相當于一個空間柱殼結構，因此許多學者采用彈性圓柱殼理論來分析。由于管節點的邊界條件和幾何形狀復雜，給偏微分方程的求解帶來困難，在大量簡化假設基礎上的解析解與工程實際的差距較大。但這些研究加深了對管節點的了解程度，為以后的研究打基礎。

(3)有限元計算：近年來，隨著計算機運算速度的不斷加快以及編程語言的發展，多運用有限元方法進行管節點的極限承載力計算。劉建平運用有限元軟件ANSYS，對圓管T、Y、K型節點承受軸向荷載的極限承載力作了計算。賀東哲運用有限元軟件ADINA，以及自主開發的前后處理程序，研究了TT型圓管節點分別在軸力、平面內彎矩和平面外彎矩的作用下的承載性能，并與已有公式進行了比較。在此基礎上，提出了TT型圓管節點平面內彎矩承載力半經驗公式。傅振岐運用有限元方法分析了K型間隙矩形管節點支管截面的應力分布、節點變形及節點參數對節點強度的影響，最后給出了節點極限承載力公式。有限元分析中一般采用VnoMISeS屈服準則，并假定等向強化。近年來用連續介質損傷力學方法模擬裂縫的形成和擴展，并建立了相應斷裂準則。

參考文獻

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