大跨度四坡水方型鋼管正交斜放空腹網架研究與應用

2020-06-08 15:40:40代陽光馬克儉

中國水運 2020年4期

代陽光馬克儉

摘要：大跨度四坡水方型鋼管正交斜放空腹網架結構體系是馬克儉教授所提出來的一種新型鋼空腹網架。它是由具有斜度的方鋼管上弦與水平下弦通過方鋼管豎桿組成鋼空腹桁架，兩兩正交斜放，所組成的矩形平面（Lx/Ly≥1.5）四坡水鋼空腹網架。研究表明這種新型空間屋蓋受力合理，結構安全可靠，可以為相關工程設計提供參考。

關鍵詞：鋼空腹網架;鋼空腹夾層板;正交斜放;大跨度

現如今隨著科技的快速發展和經濟的持續增長，各行各業都發生了天翻地覆的變化，建筑行業也不例外。近年來，大跨度建筑的穩定發展，雖然帶來了很高的經濟效益，但是仍然有很多建筑結構存在諸多的不足，比如：“安全、環保、和空間合理利用”等方面。為了滿足大跨度發展的更高要求，馬克儉院士提出了一種新型的空間結構體系，即大跨度四坡水方型鋼管正交斜放空腹網架，用來滿足大跨度屋蓋更柔、更輕、阻尼更小的要求。該結構是一種新型的空間結構體系。本文將依據研究背景、結構種類特點、工程應用以及發展優勢幾方面來對此新型結構展開論述。

1研究背景

20世紀70年代末期，被稱為“CUBIC Space Frame”的空腹網架結構體系是由英國結構工程師Leszek和他的兒子Leslie共同研發的。即我們常說的鋼空腹網架結構，其結構體系中不含斜腹桿，主要靠框架作用來抵抗荷載。因其是裝配式結構，可以提前在工廠加工制作，在工地進行裝配，使用起來及其便捷。最早采用“CUBIC Space Frame”結構體系的工程是1979年英國特倫特工業大學平面尺寸為12m×20m的排演廳屋蓋。隨后這種“CUBIC Space Frame”也應用于英國的另一大跨度結構—斯坦斯特機場FFV飛機庫，該飛機庫為其對角線跨度分別為170.256m和98.034m的菱形平面結構，空腹網架高度為4m。這兩個工程實例不僅將鋼空腹網架由理論變為實踐，而且也體現了鋼空腹網架在大跨度結構體系中的優越性。國內，1984年馬克儉教授以及其團隊經過大量的研究與試驗，首次提出“鋼筋混凝土空腹網架屋蓋和樓蓋結構”，并于次年將理論運用于實踐中，建造了“貴州省工人療養院食堂”。此工程面積雖小，平面尺寸只有11m×22m，但是其結構功能既可以當屋蓋，也可以當樓蓋。而且在1985年得到了中國土木工程學會空間結構委員會的認可后，這種空腹網架結構在“貴州安順體育訓練館”又得以應用。結構平面尺寸（圖1a）為42m×24m，采用正交斜放的網格形式（圖1b）。空腹網架結構又一次取得良好的工程實踐效果，大大推進了空腹網架結構的發展和應用。

已申報專利的“大跨度四坡水方型鋼管正交正放空腹網架結構”，解決多、高層商場與寫字樓建筑采用混凝土或鋼框架結構，將項目中框架柱抽去形成大跨度大面積的四坡水屋蓋結構難題，此類鋼空腹網架，是正交的空腹桁架，沿方形或矩形（Lx/Ly<1.5）平面，長邊（Lx）與短邊（跨度Ly）平行布置使屋蓋結構形成“雙向板”的力學模型。x和y向空腹桁架受力均勻，節約用鋼量，如長邊（Lx）與短邊（Ly）之比Lx/Ly<1.5時，長向傳遞荷載40%，短向60%，故正交正放空腹網架，方形平面受力最均勻（各0.5q），當矩形平面大跨度空腹網架長短邊之比（Lx/Ly>1.5）時，兩個方向空腹桁架受力極不均勻，如Lx/Ly=2時，（Lx=60m，Ly=30m）長向空腹桁架傳遞屋面荷載（q）0.125q，跨度方向承擔0.875q，如同混凝土單向板力學模型受力極不均勻，浪費鋼材30%以上，為了屋蓋結構受力合理，節約大量鋼材，當屋蓋矩形平面的長短邊之比Lx/Ly≥1.5后，采用“大跨度四坡水方型鋼管正交斜放鋼空腹網架屋蓋結構”;目前尚未對該新型結構進行研究。本文首次對該新型結構進行研究分析，旨在為以后相關的研究和設計提供理論參考。

2結構種類特點

2.1空腹網架種類

在我國，空腹網架的重要種類有四種，其是按照空腹桁架的交叉方式來分類的：兩向正交正放、兩向正交斜放、兩向斜交斜放和三向網架。同時，空腹網架按照材料又可以分為鋼空腹網架和鋼筋混凝土空腹網架。

2.2空腹網架特點

（1）空腹網架結構為高次超靜定結構，具有良好的力學性能和更高的安全儲備。其多向受力，能有效地承受集中荷載和非對稱荷載的作用，也能承受豎向和水平方向上的地震作用。

（2）空腹網架的空間受力性能和內力重分布性能好。即使地基不均勻沉降、結構局部損壞都不會引起整個結構的破壞，因而有利于修補。

（3）空腹網架屬于空間鋼架體系，桿件內力較為復雜，有彎矩、剪力、軸向拉力、軸向壓力和扭矩，計算起來比較繁瑣。一般情況下，上弦桿承受壓力、彎矩和剪力的共同作用;下弦桿承受拉力、彎矩和剪力的共同作用，豎桿為雙向偏心受壓和雙向偏心受拉。空腹網架邊部承受較大的彎矩和剪力，中間桿件承受較小的彎矩和剪力;而承受的軸力作用則相反，邊部承受較小的軸力，中間桿件承受較大的軸力。

（4）空腹網架的計算中一定不能忽略剪切變形的影響。空度網架的折算抗彎剛度中的折算慣性矩，只反映了上弦桿和下弦桿的截面幾何特征。但空腹網架的折算抗剪剛度不僅反映了上弦桿和下弦桿的剛度，也反映了其豎桿的剛度。在抗剪剛度中，豎桿的長度和截面幾何特征起著至關重要的作用。在撓度計算中，剪切變形對網架的撓度影響較大，若忽略抗剪剛度，則會導致結果出現重大誤差。

3工程應用

圖2為多、高層商場、寫字樓建筑框架結構頂層結構布置圖，框架柱網L1=10.8m，除了框架梁外，還有平行長邊間距3.6m的次梁，到頂層后。中間8根柱不再伸出，形成Lx×Ly=54m×32.4m=1750m2的建筑面積。

大面積矩形平面樓蓋作公共建筑的使用，由于其長短邊之比Lx/Ly=1.67>1.5，其力學模型為單向板，再作正交正放網格空腹網架，其長向空腹桁架承載力0.21q，跨度方向0.79q，受力相差4倍，造成空腹網架受力不均勻，為此根據單向板的力學模型，將正交的鋼空腹桁架與支座邊斜放（45°）形成如圖3所示的大跨度矩形平面（Lx/Ly>1.5）四坡水方型鋼管空腹網架屋蓋，其屋面防水不再采用輕質的彩鋼板，而采用現澆和裝配整體式的混凝土面板，大幅度提高結構的耐久性和安全度，其外形如圖4所示的四坡水富有民族風味的大跨度屋蓋。

從圖3正交斜放空腹網架結構布置圖可知，空腹網架是由如圖5a，5b，5cS-4、S-5、S-6所示簡圖，方鋼管空腹桁架正交斜放組成。

當樓蓋矩形平面（Lx/Ly>1.5）后，再用正交正放空腹網架時，其x，y向配桿如圖6所示，每米兩向平均用鋼187.2kg/m，圖7正交斜放配桿每米兩向平均用鋼124.8kg/m，用鋼量節約1/3左右。

由于屋蓋結構為四坡水，各桿件均為方鋼管，它的節點構造不同于圓鋼管的管桁架需切弧焊接連接，圖8所示為方管空腹網架支座端上、下節點，其端部豎桿與下弦節點平焊與上弦節點切角（a1）焊，圖9為網架中間節點，豎桿與下弦節點仍為平焊連接，豎桿截面與上弦夾角a，需作具有a1角度的斜截面，在工業化、裝配化的今天，所有節點均在工廠車間加工成單元，現場采用可拆卸式“栓焊結合”方式連接形成整體。

4發展優勢

該結構為一種新型鋼空腹網架結構，它是由具有斜度的方鋼管上弦與水平下弦通過方鋼管豎桿組成鋼空腹桁架，兩兩正交斜放，所組成的矩形平面（Lx/Ly≥1.5）四坡水鋼空腹網架。其空間受力性能好，結構安全可靠，外形獨特美觀，具有很好的市場應用前景。

5結論

本文對新型鋼空腹網架結構進行研究，得出以下結論：

（1）大跨度矩形平面四坡水鋼結構屋蓋，采用方型鋼管作空腹桁架，它們彼此正交斜放（45°）形成大跨度變剛度方形鋼管空腹網架屋蓋;

（2）大跨度矩形平面方鋼管四坡水空腹網架，它由多種上弦具有坡度的網格組成，其上弦斜面（a1）的正交斜放網格a2稍大于下弦水平網格a1;

（3）方形鋼管組成的四坡水正交斜放空腹網架，其上弦正交斜放網格與屋蓋坡度相同具有a1角度，即上弦網格（a1×a2）在斜面正交，下弦網格（a1×a1）在水平面內正交;

（4）大跨度方形鋼管正交斜放空腹網架的方鋼管豎桿是保證空腹網架整體工作的主要受力構件，其豎桿高度隨屋蓋的坡度而變化，即中間高向周邊逐漸減短，但支座處仍必須設置豎桿，其高度由計算確定。

參考文獻：

[1] 馬克儉，張華剛，鄭濤.新型建筑空間網格結構理論與實踐[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 董石麟，馬克儉. 組合網架結構與空腹網架結構[M].杭州：浙江大學出版社，1992.

[3] 沈祖炎，馬克儉.空間網架結構[M].貴陽：貴州人民出版社，1987.