大跨度管桁架屋蓋體系結(jié)構(gòu)性能研究

摘要:鋼管結(jié)構(gòu)是指鋼結(jié)構(gòu)的全部或部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用空心鋼管的結(jié)構(gòu)。管桁架結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)的一種,其在國(guó)內(nèi)外得到了較快的發(fā)展。它是桁架結(jié)構(gòu)采用鋼管材料構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)形式,也稱(chēng)鋼桁結(jié)構(gòu)、管桁架和管結(jié)構(gòu)等。由于適應(yīng)性比較強(qiáng),近年來(lái)在大跨空間結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:鋼管結(jié)構(gòu);管桁架結(jié)構(gòu);大跨空間

中圖分類(lèi)號(hào):TV393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-1145(2009)24-0158-02

一、管桁架結(jié)構(gòu)概述

(一)管桁架的分類(lèi)

根據(jù)受力特性和桿件布置不同,可分為平面管桁結(jié)構(gòu)和空間管桁結(jié)構(gòu)。平面管桁結(jié)構(gòu)的上弦、下弦和腹桿都在同一平面內(nèi),結(jié)構(gòu)平面外剛度較差,一般需要通過(guò)側(cè)向支撐保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向穩(wěn)定。在現(xiàn)有管桁結(jié)構(gòu)的工程中,多采用Warren桁架和Pratt桁架形式,Warren桁架一般是最經(jīng)濟(jì)的布置,與Pratt桁架相比Warren桁架只有它一半數(shù)量的腹桿與節(jié)點(diǎn),且腹桿下料長(zhǎng)度統(tǒng)一,這樣可極大地節(jié)約材料與加工工時(shí)。Vierendeel桁架主要應(yīng)用于建筑功能或使用功能不容許布置支撐斜桿時(shí)的情況。

空間管桁結(jié)構(gòu)通常為三角形截面,與平面管桁結(jié)構(gòu)相比,它能夠具有大的跨度,且三角形桁架穩(wěn)定性好,扭轉(zhuǎn)剛度大且外表美觀。在不布置或不能布置面外支撐的場(chǎng)合,三角形桁架可提供較大跨度空間。一組三角形桁架類(lèi)似于一榀空間剛架結(jié)構(gòu),且更為經(jīng)濟(jì)?？梢詼p少側(cè)向支撐構(gòu)件,提高側(cè)向穩(wěn)定性和扭轉(zhuǎn)剛度。對(duì)于小跨度結(jié)構(gòu),可以不布置側(cè)向支撐。

(二)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,按連接構(gòu)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(jié)構(gòu);

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(jié)構(gòu);

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(jié)構(gòu)。

(三)桁架的外形

從桁架外形(即從弦桿類(lèi)型來(lái)分)方面可分為:直線(xiàn)型與曲線(xiàn)型管桁結(jié)構(gòu)。隨著社會(huì)對(duì)美學(xué)要求的不斷提高,為了滿(mǎn)足空間造型的多樣性,管桁結(jié)構(gòu)多做成各種曲線(xiàn)形狀,豐富結(jié)構(gòu)的立體效果。當(dāng)設(shè)計(jì)曲線(xiàn)型管桁結(jié)構(gòu)時(shí),有時(shí)為了降低加工成本,桿件仍然加工成直桿,由折線(xiàn)近似代替曲線(xiàn)。如果要求較高,可以采用彎管機(jī)將鋼管彎成曲管,這樣建筑效果更好。

(四)管桁架的優(yōu)點(diǎn)

近20年以來(lái),管桁架結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外得到了較快的發(fā)展。當(dāng)前,我國(guó)建筑業(yè)發(fā)展的總目標(biāo)是:提高建筑業(yè)的整體素質(zhì)、工業(yè)生產(chǎn)與技術(shù)裝備水平,達(dá)到在國(guó)際建筑市場(chǎng)中具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力,并充分發(fā)揮建筑業(yè)在帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)調(diào)整中的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)作用,到2010年使建筑業(yè)成為名副其實(shí)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。建筑業(yè)要帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,加快發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)工程是一個(gè)很重要的方面。在鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展過(guò)程中,高性能鋼材的應(yīng)用推動(dòng)了鋼結(jié)構(gòu)工程的全面進(jìn)步。軋制H型鋼、冷彎薄壁型鋼和空心鋼管的出現(xiàn)極大地改善了鋼構(gòu)件的力學(xué)性能,降低了制造成本。

隨著大型公共建筑的發(fā)展,對(duì)結(jié)構(gòu)的空間和跨度的要求越來(lái)越高,空間鋼管桁架以其良好的承載和穩(wěn)定性能得到了廣泛的應(yīng)用?？臻g鋼管桁架的結(jié)構(gòu)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。

鋼管截面具有一系列獨(dú)特的優(yōu)越性能,主要有以下幾個(gè)方面:

1.圓管和方管的管壁一般較薄,截面回轉(zhuǎn)半徑較大,故抗壓和抗扭性能好。對(duì)稱(chēng)截面形式使得截面慣性矩對(duì)各軸相同,有利于單一桿件的穩(wěn)定設(shè)計(jì)。截面的閉合提高了抗扭剛度,對(duì)板件局部穩(wěn)定性而言,閉合截面也優(yōu)于有懸挑板件的開(kāi)口截面。

2.在截面積相同的型鋼中,鋼管外表面積最小,這就使得鋼管與大氣的接觸面積最小,加之鋼管往往會(huì)兩端封閉,內(nèi)部不會(huì)生銹,這就大大減少了防腐防火涂料的消耗和涂裝工作量。而且鋼管結(jié)構(gòu)較易于清刷、油漆,故維護(hù)更為方便。

3.鋼管截面的流體動(dòng)力特性好。承受風(fēng)力或水流等荷載作用時(shí),荷載對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)比其他截面形式結(jié)構(gòu)的效應(yīng)要低得多。

4.鋼管加工便利。隨著多維數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展,鋼管的相貫線(xiàn)切割已經(jīng)不再是難題,國(guó)內(nèi)許多鋼結(jié)構(gòu)加工廠家已經(jīng)掌握了這項(xiàng)技術(shù)。

二、管桁架結(jié)構(gòu)性能的研究

桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是外形尺寸、構(gòu)件尺寸及節(jié)點(diǎn)形式的設(shè)計(jì)。外形設(shè)計(jì)主要是桁架的總體布置、跨度、高度、節(jié)間距離、桁架間距及腹桿的布置,應(yīng)盡量減少連接數(shù)量;構(gòu)件尺寸的選擇與節(jié)點(diǎn)形式相關(guān)聯(lián),應(yīng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算以及構(gòu)件強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算來(lái)確定。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于管桁架結(jié)構(gòu)的研究,主要集中在管節(jié)點(diǎn)的分析。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的破壞往往導(dǎo)致與之相連若干桿件的失效,從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)管節(jié)點(diǎn)靜力性能的研究方法,主要有三類(lèi):試驗(yàn)、解析理論和數(shù)值分析(有限元方法)。

(一)試驗(yàn)研究

起初,人們只能通過(guò)試驗(yàn)來(lái)認(rèn)識(shí)管節(jié)點(diǎn)的承載性能,驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。60年代,ToPrac,Buowkampetal利用鋼模型進(jìn)行了各種管節(jié)點(diǎn)的靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。

Akyima(1974)首次進(jìn)行了空間管節(jié)點(diǎn)的模型試驗(yàn),測(cè)試了4個(gè)KK型管節(jié)點(diǎn)在軸力作用下的承載力。Muoyt和Rnodal(1990)測(cè)試了軸力作用下KK型空間管節(jié)點(diǎn)。Socla(1990)進(jìn)行了8個(gè)TT型空間管節(jié)點(diǎn)軸力試驗(yàn)。Pual(1991)進(jìn)行了12個(gè)竹型空間管節(jié)點(diǎn)軸力試驗(yàn)。最近,人們開(kāi)始關(guān)心雜交管節(jié)點(diǎn)的研究,Gandhi(1998)進(jìn)行了7個(gè)T型方主管圓支管試驗(yàn),研究了節(jié)點(diǎn)的疲勞性能。

近年來(lái),管節(jié)點(diǎn)在民用建筑中的廣泛應(yīng)用,使管節(jié)點(diǎn)研究受到重視。沈祖炎等(1998)進(jìn)行了n個(gè)試件的K型管節(jié)點(diǎn)的模型試驗(yàn),檢驗(yàn)了上海八萬(wàn)人體育館懸挑主桁架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。

(二)經(jīng)典解析理論研究

由于管節(jié)點(diǎn)是由幾個(gè)圓形鋼管焊接而成的結(jié)構(gòu),相當(dāng)于一個(gè)空間柱殼結(jié)構(gòu),因此許多學(xué)者采用彈性圓柱殼理論來(lái)分析。由于管節(jié)點(diǎn)的邊界條件和幾何形狀復(fù)雜,給偏微分方程的求解帶來(lái)困難,在大量簡(jiǎn)化假設(shè)基礎(chǔ)上的解析與工程實(shí)際的差距較大,但這些研究加深了對(duì)管節(jié)點(diǎn)的了解程度,為以后的研究打基礎(chǔ)。

(三)有限元計(jì)算

近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的不斷加快以及編程語(yǔ)言的發(fā)展,多運(yùn)用有限元方法進(jìn)行管節(jié)點(diǎn)的極限承載力計(jì)算。

劉建平運(yùn)用有限元軟件ANSYS,對(duì)圓管T、Y、K型節(jié)點(diǎn)承受軸向荷載的極限承載力作了計(jì)算。賀東哲運(yùn)用有限元軟件ADINA,以及自主開(kāi)發(fā)的前后處理程序,研究了TT型圓管節(jié)點(diǎn)分別在軸力、平面內(nèi)彎矩和平面外彎矩的作用下的承載性能,并與已有公式進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上,提出了TT型圓管節(jié)點(diǎn)平面內(nèi)彎矩承載力半經(jīng)驗(yàn)公式。

Koskimaki運(yùn)用有限元軟件ABAQUS,研究了一個(gè)K型矩形管節(jié)點(diǎn)在兩組邊界和軸向荷載條件下的承載性能,并分析了支管壁的應(yīng)力分布。Davies運(yùn)用有限元軟件LUSAS,研究了X型矩形管節(jié)點(diǎn)受支管軸向拉力的荷載位移曲線(xiàn),并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,兩者顯示了較好的一致性。

傅振岐運(yùn)用有限元方法分析了K型間隙矩形管節(jié)點(diǎn)支管截面的應(yīng)力分布、節(jié)點(diǎn)變形及節(jié)點(diǎn)參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的影響,最后給出了節(jié)點(diǎn)極限承載力公式。

有限元分析中一般采用VnoMISeS屈服準(zhǔn)則,并假定等向強(qiáng)化。近年來(lái)用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)方法模擬裂縫的形成和擴(kuò)展,并建立了相應(yīng)斷裂準(zhǔn)則。

三、結(jié)論

利用空間鋼管桁架作為屋蓋結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn),作為一種結(jié)構(gòu)體系,它符合了大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展需要,營(yíng)造了美學(xué)與力學(xué)的完美結(jié)合的設(shè)計(jì)理念。此類(lèi)結(jié)構(gòu)形式得到了廣泛的工程實(shí)踐應(yīng)用,具有強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。

參考文獻(xiàn)

[1]施功.機(jī)場(chǎng)航站樓拱——桁架支撐體系屋蓋的設(shè)計(jì)與施工研究[D].同濟(jì)大學(xué),2007.

[2]呂晶,徐國(guó)彬,王月棟.奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)開(kāi)合部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),2003,(4).

作者簡(jiǎn)介:劉國(guó)忠(1968- ),男,河南中牟人,供職于河南省鄭州市中牟縣建設(shè)局設(shè)計(jì)室,研究方向:建筑規(guī)劃及設(shè)計(jì)。