拱形管桁架結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用和發(fā)展前景探究

王波

摘 要 隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，大跨度空間結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛。結(jié)構(gòu)的類型和形式多種多樣，其中拱形管桁架結(jié)構(gòu)被越來越多地應(yīng)用到體育館，會(huì)展中心，飛機(jī)場(chǎng)，航站樓，大型工業(yè)廠房等；本文對(duì)拱形管桁架結(jié)構(gòu)所具有的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了探討，結(jié)合該結(jié)構(gòu)在建筑工程中的具體應(yīng)用，展望了拱形管桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景，并結(jié)合其不足之處，以推廣拱形管桁架結(jié)構(gòu)的使用。

關(guān)鍵詞 拱形管桁架 工程應(yīng)用 力學(xué)性能

0引言

拱形結(jié)構(gòu)又稱之為推力結(jié)構(gòu)，它的特點(diǎn)是可以利用其曲線拱軸將外荷載產(chǎn)生的彎矩轉(zhuǎn)化成軸向壓力，從而提高結(jié)構(gòu)的效率。桁架結(jié)構(gòu)是由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結(jié)構(gòu)，由直桿組成的一般具有矩形或三角形單元的平面或空間結(jié)構(gòu)，桁架桿件主要承受軸向拉力或壓力，從而使材料得到充分的利用。針對(duì)大跨度建筑結(jié)構(gòu)，可較實(shí)腹梁有節(jié)省材料用量，減輕結(jié)構(gòu)自重和增大剛度等優(yōu)點(diǎn)。

拱形管桁架結(jié)構(gòu)結(jié)合了以上兩種結(jié)構(gòu)跨越能力強(qiáng)、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，是將拱形狀的鋼管通過焊接的方式連接成一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)形式，由于平面管桁結(jié)構(gòu)所有的鋼管都在一個(gè)平面內(nèi)，其穩(wěn)定性不能得到保障，所以拱形管桁架結(jié)構(gòu)通常采用倒三角形截面形式，這種截面形式穩(wěn)定性好，在橋梁、房屋等建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

1拱形管桁架在大跨度建筑工程中的應(yīng)用

隨著我國(guó)近年來鋼鐵產(chǎn)量和質(zhì)量的不斷增加，拱形管桁架得到廣泛的使用，在大跨度建筑工程中所占的比重日趨增大，廣泛應(yīng)用于體育館，會(huì)展中心，飛機(jī)場(chǎng)，航站樓等，大型工業(yè)廠房等大型公共建筑中。

1.1國(guó)外的應(yīng)用實(shí)例

鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用最早追溯于1947年在墨西哥海灣建成的世界上第一個(gè)現(xiàn)代化的海洋平臺(tái)，建成之后工程師們對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)有了初步的了解，隨著鋼材的發(fā)展，工程師們把這種結(jié)構(gòu)逐漸用于大型公共建筑，比如工業(yè)廠房、飛機(jī)庫、體育館、展覽館和商場(chǎng)等眾多工業(yè)與民用建筑工程。

近幾年來，隨著鋼管桁架理論知識(shí)與施工工藝技術(shù)的發(fā)展，世界上許多國(guó)家的地標(biāo)性建筑均選用鋼管桁架結(jié)構(gòu)，大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)入到一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期。

2014年竣工的新加坡國(guó)家體育館，聲稱是世界最大的跨度穹頂建筑。跨度達(dá)310米，彎曲的穹頂是一種非常標(biāo)志性的建筑結(jié)構(gòu)形式。而穹頂就是由拱形管桁架組成。

2016年奧運(yùn)會(huì)卡里奧卡體育館是一座位于巴西里約熱內(nèi)盧巴拉的室內(nèi)體育場(chǎng)館，體育館上部屋蓋主要由拱形管桁架結(jié)構(gòu)組成。主體結(jié)構(gòu)包括1、2、3號(hào)館，在奧運(yùn)會(huì)期間分別主辦了籃球、柔道和摔跤、擊劍和跆拳道等體育賽事。

1.2 國(guó)內(nèi)的應(yīng)用實(shí)例

我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的興起始于20世紀(jì)80年代，相對(duì)于世界上一些發(fā)達(dá)國(guó)家，發(fā)展起步較晚，但經(jīng)過幾十年的迅猛發(fā)展，空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中得到廣泛應(yīng)用 。

北京奧林匹克籃球館，是2008年北京奧運(yùn)會(huì)籃球比賽場(chǎng)館，總面積6.3萬平方米。獲2008年度魯班獎(jiǎng)和第八屆詹天佑大獎(jiǎng)。體育館為框架-剪力墻加鋼支撐結(jié)構(gòu)，頂部為雙向正交鋼桁架，地下一層，地上六層。

大跨度空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)在橋梁和公路中的應(yīng)用也十分廣泛，例如寧波北侖春曉大橋，該橋跨越梅山水道，西起春曉洋沙山東六路與春曉東八路交叉口，終點(diǎn)位于梅山島鹽湖路與港灣路交叉口，全長(zhǎng)約1.971公里，總投資11.7億元。主橋采用中承式雙層桁架系桿拱橋，拱肋采用兩片相互平行的全鋼桁架拱，每片拱肋由上下弦桿和腹桿組成。

2拱形管桁架的優(yōu)點(diǎn)

2.1鋼管具有優(yōu)越的力學(xué)性能

從力學(xué)的角度講，拱以其獨(dú)特的曲線形式實(shí)現(xiàn)了彎矩向軸力的轉(zhuǎn)化，而桁架則通過格構(gòu)的方式將彎矩轉(zhuǎn)化為桿件的軸力。而桁架拱將拱和桁架相結(jié)合，便形成了一種受力更為合理的新型結(jié)構(gòu)形式。

2.2經(jīng)濟(jì)性能好

由于該結(jié)構(gòu)選用的是薄壁鋼管截面，有效地減輕了結(jié)構(gòu)自重而且節(jié)約了材料，上下弦桿與腹桿之間采用焊接方法鏈接，不需要多余的連接件，由于鋼管是閉口構(gòu)件，比表面積小，大大節(jié)省了防腐和維修的費(fèi)用。

2.3工業(yè)化程度高，建設(shè)周期短

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，其尺寸和形狀大量相同，可在工廠成批生產(chǎn)，且質(zhì)量好、效率高、同時(shí)不與土建爭(zhēng)場(chǎng)地，且不受氣候影響，因而現(xiàn)場(chǎng)工作量小，工期縮短。

2.4抗震性能好

由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)自重輕，地震時(shí)產(chǎn)生的地震力就小，同時(shí)鋼材具有良好的延伸性，可吸收大量地震能量，網(wǎng)架空間剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不會(huì)倒塌，所以具備優(yōu)良的抗震性能。

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）不耐火：溫度超過250℃以內(nèi)時(shí)，材質(zhì)發(fā)生較大變化，不僅強(qiáng)度逐步降低，還會(huì)發(fā)生藍(lán)脆和徐變現(xiàn)象。溫度達(dá)600℃時(shí)，鋼材進(jìn)入塑性狀態(tài)不能繼續(xù)承載。

（2）腐蝕性差：處于較差腐蝕性，鋼結(jié)構(gòu)在涂油漆前應(yīng)徹底除銹，油漆質(zhì)量和涂層厚度均應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求。在設(shè)計(jì)中應(yīng)避免使結(jié)構(gòu)受潮、漏雨，構(gòu)造上應(yīng)盡量避免存在于檢查、維修的死角。新建造的鋼結(jié)構(gòu)一般隔一定時(shí)間都要重新刷涂料，維護(hù)費(fèi)用較高。

（3）大跨度空間管桁結(jié)構(gòu)對(duì)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(huì)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(guó)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

空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的造型優(yōu)勢(shì)在越來越多的工程中得以應(yīng)用。但相對(duì)于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，目前關(guān)于空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的研究還相對(duì)匱乏，沒有形成系統(tǒng)性的方法。空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展空間還很廣泛，有待學(xué)者們進(jìn)行更深層次的研究。

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