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关于大跨度钢管桁架


关于大跨度钢管桁架
空间钢管桁架结构体系是大跨空间结构中的一个重要成员。 郑州大学新校区体育馆由三组 环向桁架、三组径向桁架和三组撑杆为主要构件组成,外环、外部径向桁架与中环构成结构 的主要受力骨架,通过封闭外环的设计,使其形成一个受拉的环箍,限制了外部径向桁架滑 动支座端的径向位移,从而减小了整个结构的竖向挠度,在此满足规范要求的同时,使结构 用钢量达到最佳经济指标。

该屋盖平面的水平投影为轴对称的花瓣形,在半径约 7m 和 15m 及外围处设置三道封闭的环桁架,沿径向设置 24 道空间桁架,并以环桁架为分界沿圆周方 向错开布置,径向桁架被划分为外、中、内三部分。整个结构外观简洁,轻逸,受力合理, 传力直观,整体性能好。对它进行探索有助于了解结构性能,指导设计施工,并为类似结构 的应用提供依据。 1 管桁架结构概述 近年来,钢管结构不仅在海洋工程、桥梁工程中得到了广泛应用,而且在工业及民用建 筑中的应用日益广泛, 钢管结构在我国建筑结构中的应用也越来越多, 如宝钢三期工程中采 用方管桁架,吉林滑冰练习馆、哈尔滨冰雪展览馆、上海“东方明珠”电视塔和长春南岭万 人体育馆均采用方钢管作为主要结构构件, 广州体育馆屋盖采用了方钢管和圆钢管, 上海虹 口体育场采用圆钢管作为屋面承力体系,成都双流机场屋盖采用了圆钢管作为主要受力构 件。在公共建筑领域,钢管结构中独特的结构形式层出不穷,如悉尼水上运动中心,美国迦 登格罗芙水晶教堂; 单层大空间建筑领域, 除了在超级市场、 货栈和仓库中继续广泛应用外, 还出现了一些超大型结构,如新加坡章楦机场机库,大阪国际机场候机厅;另外还有轻型大 跨结构, 如人行天桥和起重机结构; 其他特殊用途的结构, 如天线桅杆和航天发射架等。 2001 年建成的建筑面积 7250 的北京植物园展览温室是国内首次采用相贯节点的曲线钢管桁架结 构。钢结构用材为 16Mn,钢管最大规格为 299mmx12mm,钢结构总吨位 720t。上海体育馆的 膜结构屋盖主要由钢管相贯而成的 32 榀桁架、环梁组成,呈南北对称的马鞍形状,最大跨 度 288.4m,标高 31.74-70.54m,主桁架最大钢管直径 508mm,采用直接焊接 K 型节点。最 长的悬挑梁 74.162m,材料采用英钢 50D。南京国际展览中心的二层展厅是一个长 243m、宽 75m 的无柱大空间,屋面呈弧形,南北两端主入口各有 15m 悬挑,西侧又有 14m 悬挑。采用 的是钢管拱架、檩架的结构方案。 2 钢管桁架结构的形式及特点 2.1 管桁架的分类:根据受力特性和杆件布置不同,可分为平面管桁结构和空间管桁结 构。平面管桁结构的上弦、下弦和腹杆都在同一平面内,结构平面外刚度较差,一般需要通 过侧向支撑保证结构的侧向稳定。在现有管桁结构的工程中,多采用 Warren 桁架和 Pratt 桁架形式,Warren 桁架一般是最经济的布置,与 Pratt 桁架相比 Warren 桁架只有它一半数 量的腹杆与节点,且腹杆下料长度统一,这样可极大地节约材料与加工工时。Vierendeel 桁架主要应用于建筑功能或使用功能不容许布置支撑斜杆时的情况. 空间管桁结构通常为三角形截面,与平面管桁结构相比,它能够具有大的跨度,且三角

形桁架稳定性好,扭转刚度大且外表美观。在不布置或不能布置面外支撑的场合,三角形桁 架可提供较大跨度空间。一组三角形桁架类似于一榀空间刚架结构,且更为经济。可以减少 侧向支撑构件,提高了侧向稳定性和扭转刚度。对于小跨度结构,可以不布置侧向支撑。 2.2 连接件的截面形式常用的杆件截面形式为圆形、矩形、方形等,按连接构件的不同 截面可分为以下几种桁架形式: C-C 型桁架:即弦杆和腹杆均为圆管相贯的桁架结构; R-R 型桁架:即弦杆和腹杆均为方钢管或矩形管相贯的桁架结构; R-C 型桁架:即矩形截面弦杆与圆形截面腹杆直接相贯焊接的桁架结构。 2.3 桁架的外形 从桁架外形(即从弦杆类型来分)方面可分为:直线型与曲线型管桁结构。随着社会对 美学要求的不断提高,为了满足空间造型的多样性,管桁结构多做成各种曲线形状,丰富结 构的立体效果。当设计曲线型管桁结构时,有时为了降低加工成本,杆件仍然加工成直杆, 由折线近似代替曲线。如果要求较高,可以采用弯管机将钢管弯成曲管,这样建筑效果更 好。 2.4 管桁架的优点 钢管结构因其具有优美的外观、合理的受力特点以及优越的经济性,在现代工业厂房、 仓库、体育馆、展览馆、会场、航站楼、车站及办公楼、商住楼、宾馆等建筑中得到了广泛 的应用,如上海体育场、上海科技城、首都机场新航站楼、广州新白云及长航站楼、广州国 际会展中心、上海新国际博览中心、南京国际会展中心、南京奥林匹克体育场、江苏省南通 市体育会展中心等大型工程中均采用了钢管结构。 工程实际表明, 钢管结构既可以很好地满 足建筑要求, 又能够使结构达到安全、 适用、 经济等性能指标, 符合钢结构的最新设计观念。 钢管截面具有一系列独特的优越性能,主要有以下几个方面: ①圆管和方管的管壁一般较薄,截面回转半径较大,故抗压和抗扭性能好。对称截面形 式使得截面惯性矩对各轴相同,有利于单一杆件的稳定设计。截面的闭合提高了抗扭刚度, 对板件局部稳定性而言,闭合截面也优于有悬挑板件的开口截面。在许多场合下,建筑师也 愿意利用钢管外观简洁的特点表达其建筑意图。 ②在截面积相同的型钢中,钢管外表面积最小,这就使得钢管与大气的接触面积最小, 加之钢管往往会两端封闭, 内部不会生锈, 这就大大减少了防腐防火涂层的材料消耗和涂装 工作量。而且钢管结构较易于清刷、油漆,故维护更为方便。 ③钢管截面的流体动力特性好。 承受风力或水流等荷载作用时, 荷载对钢管结构的作用 效应比其它截面形式结构的效应要低得多。 ④钢管加工便利。随着多维数控切割技术的发展,钢管的相贯线切割已经不再是难题, 国内许多钢结构加工厂家已经掌握了这项技术。 虽然就材料单价而言,钢管价格高于普通开口截面形式的型钢,但上述优点综合起来, 钢管结构在众多结构形式中仍然是优先选用的基本结构形式之一。 结语: 利用空间钢管桁架作为屋盖结构具有很多优点, 不仅满足了本体育馆大跨度的要

求,而且作为一种结构体系,它符合了大跨空间结构的发展需要,营造了美学与力学的完美 结合的设计理念。此类结构形式得到了广泛的工程实践应用,具有强劲的发展势头。


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