大跨度空間鋼管桁架結構的工程應用和前景展望

孫琳璘（東北林業大學土木工程學院，黑龍江　哈爾濱　150040）

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大跨度空間鋼管桁架結構的工程應用和前景展望

孫琳璘
（東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱150040）

摘要：結合空間鋼管桁架結構在大跨度建筑物中的應用，分析了空間鋼管桁架結構具有的優點，并闡明了空間管桁結構在建筑市場中的應用前景，探討了其不足，以促進大跨度空間鋼管桁架結構的推廣使用。

關鍵詞：空間鋼管桁架，大跨度結構，力學性能

0　引言

空間結構是相對于平面結構而存在的，而對于空間結構而言，空間結構的特點不僅僅表現在三維受力，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，空間結構越能展現其優越的技術經濟性能，所以大跨度建筑大多采用各種形式的空間結構體系。大跨結構的優點有自重輕，經濟性好；剛度好，抗震性能好；便于工業化生產；形式多樣化，造型美觀；建筑，結構和使用功能統一等優點。

常見的大跨屋蓋剛性空間結構形式有三種：薄殼結構，空間網格結構，立體桁架結構。我國目前的鋼管桁架結構也越來越受重視。鋼管桁架結構是以鋼管通過焊接有機連接成的一種結構，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，其側向穩定性需要側向支撐才可以保證。而空間管桁結構是在網殼和網架結構的基礎之上發展起來的，通常為三角形截面，穩定性好，現如今在工程中應用廣泛。

1　鋼管桁架在大跨結構中的應用實例

近年來我國鋼鐵產量不斷增加，管桁架被廣泛的使用，在建筑中所占的比例越來越大，廣泛應用于工業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構示意圖。

圖1　空間鋼管桁架結構示意圖

1.1國外的應用實例

鋼管結構最初應用于海上平臺等海上結構或近海結構，1947年墨西哥海灣建成了世界上第一個現代化海洋平臺［1］，本來人們對焊接鋼管節點的性能了解很少，這個工程促使人們意識到鋼管作為結構構件的優越性能，并開始探索鋼管結構的性能。之后各國都出現了許多功能良好，造型優美的鋼管結構。

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

1980年竣工的美國洛杉磯水晶教堂造型美觀，能夠抵抗強震和大風；日本大阪關西國際機場以及悉尼國際水上運動中心等也是采用的空間鋼管桁架結構。

其中日本關西國際機場反映了20世紀末人類的最新技術成就——符合空氣動力學的屋架結構，其輕質的鋼管空間桁架由雙桿支撐，二者共同構成了拱力作用的角度，使得結構具有良好的側向抗震力（見圖3）。

圖2　德國斯圖加特機場

圖3　日本關西國際機場

1.2國內的應用實例

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

表1　鋼管結構的應用實例表

以上工程實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年北京奧運會場館鳥巢為我國的空間鋼管桁架結構的發展樹立了新的里程碑，鳥巢的結構形式十分新穎，該結構尺寸340 m×292 m，其屋面結構類型是鳥巢形空間交錯桁架。此外國內的大型工程應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構在橋梁和公路上的應用也十分廣泛，例如重慶朝天門大橋和高速公路收費屋蓋等［2］。就重慶的地標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構產生的水平推力，整體剛度有了很大的提高，并且該結構具有良好的經濟性能。廣州體育館訓練館見圖5，重慶朝天門大橋見圖6。

圖5　廣州體育館訓練館

圖6　重慶朝天門大橋

2　空間鋼管桁架的優點

2.1鋼管具有優越的力學性能

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，抗壓強度和抗拉強度與截面形式無關，只與截面面積有關，所以鋼管結構更省材料；而抗彎和抗扭強度受截面形式影響，離截面形心越遠，受力越大，根據公式：

其中，Ip為抗扭慣性矩，所以質點距離中性軸越遠，Ip越大，承載力越大，所以鋼管結構有提高承載力這個優點。

不同截面形式的鋼管的力學性能：

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［3］。鋼管的截面閉合，抗扭性能好，局部穩定性好。相比較來說，圓管的抗扭性能比方管強，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經濟性能好

由于截面使用的是薄壁鋼管，減輕自重而且經濟性能增加。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，節省鋼材。而且鋼管結構封閉，比表面積小，無死角，節省了防腐和除塵材料的費用。

2.3外形美觀

鋼管桁架結構在節點處采用的是桿件直接焊接的相貫節點，其構造簡單明了，且傳力路徑明顯，還可以與其他結構以很好的方式結合，造型多樣化，具有流暢的視覺效果［4］。

2.4自重輕，強度高

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

3　空間鋼管桁架結構的不足及展望

3.1空間鋼管桁架結構的不足

1）空間鋼結構作為一個國家綜合國力的體現，在近年來的應用不斷增多。但是我國與歐洲的一些國家相比，鋼管結構的發展仍然有點落后，而且造型新穎的結構相對較少。

2）我國應用空間鋼管桁架的大跨度建筑物結構樣式有待進一步設計美化。

3）大跨度空間管桁結構對承載力和穩定性的要求很高，設計中稍有差池，結構就會出現局部失穩或整體失穩的現象，最終導致結構的崩塌，造成嚴重的損失。近年來，國內外就鋼結構的穩定性問題取得了較多的成果，但是仍需進一步研究。

3.2展望

近年來管桁架結構理論不斷地發展完善，并且廣泛應用于大跨度結構中，且其具有自重較輕，經濟性能好，力學性能好等優點，并且根據以往的工程實例可以看出大跨度空間鋼管桁架結構具有良好的抗震性能?？臻g鋼管桁架結構不僅滿足了結構穩定性等工程設計要求，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用前景值得進一步研究。

參考文獻：

［1］秦文，陳小才.空間鋼管桁架結構的發展及應用［J］.科學之友，2011（14）：37-38.

［2］黃江.大跨度管桁架承載力及穩定性分析［D］.合肥：合肥工業大學，2012.

［3］吳耀華，吳文奇.鋼管在結構工程中的應用與發展［J］.鋼結構，2005，2（20）：50-51.

［4］白龍.大跨度屋蓋結構的幾種選型對比和改進［D］.大連：大連理工大學，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

文獻標識碼：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