鋼管桁架結構在建筑中的應用

鋼管桁架結構是鋼管結構中的重要一種，它是桁架結構采用鋼管材料構成的一種結構形式，也稱鋼桁結構、管桁架和管結構。由于適應性比較強，近年來在大跨空間結構中得到廣泛應用。

管桁結構的結構體系為平面或空間桁架，與一般桁架的區(qū)別在于連接節(jié)點的方式不同：網架結構采用螺栓球或空心球節(jié)點。過去的屋架經常采用板型節(jié)點，而管桁結構在節(jié)點處采用的是桿件直接焊接的相貫節(jié)點(或稱管節(jié)點)。在相貫節(jié)點處，只有在同一軸線上的兩個主管貫通。其余桿件(即支管)通過端部相貫線加工后，直接焊接在貫通桿件(即主管)的外表非貫通桿件在節(jié)點部位可能有一定間隙(間隙型節(jié)點)，也可能部分重疊(搭接型節(jié)點)。相貫線切割曾被視為是難度較高的制造工藝。因為交匯鋼管的數量、角度、尺寸的不同使得相貫線形態(tài)各異，而且坡口處理困難。但隨著多維數控切割技術的發(fā)展。這些難點已被克服。目前國內一些企業(yè)裝備了這一技術，相貫節(jié)點管桁結構在大跨度建筑中得到前所未有的應用。

管桁架的分類。根據受力特性和桿件布置不同，可分為平面管桁結構和空間管桁結構。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。一般需要通過側向支撐保證結構的側向穩(wěn)定。在現(xiàn)有管桁結構的工程中，多采用Warren桁架和Pratt桁架形式，Warren桁架一般是最經濟的布置，與Pratt桁架相比Warren桁架只有它一半數量的腹桿與節(jié)點，且腹桿下料長度統(tǒng)一，這樣可極大地節(jié)約材料與加工工時。Vierendeel桁架主要應用于建筑功能或使用功能不容許布置支撐斜桿時的情況，空間管桁結構通常為三角形截面，與平面管桁結構相比，它能夠具有大的跨度，且三角形桁架穩(wěn)定性好，扭轉剛度大且外表美觀。在不布置或不能布置面外支撐的場合，三角形桁架可提供較大跨度空間。一組三角形桁架類似于一榀空間剛架結構，且更為經濟?？梢詼p少側向支撐構件，提高了側向穩(wěn)定性和扭轉剛度。對于小跨度結構，可以不布置側向支撐。

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。接連接構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構；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構；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構。

管桁架的優(yōu)點。隨著大型公共建筑的發(fā)展，對結構的空間和跨度的要求越來越高，空間鋼管桁架以其良好的承載和穩(wěn)定性能得到廣泛應用?？臻g鋼管桁架的結構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。鋼管結構因其具有優(yōu)美的外觀、合理的受力特點以及優(yōu)越的經濟性，在現(xiàn)代工業(yè)廠房、倉庫、體育館、展覽館、會場、航站樓、車站及辦公樓、商住樓、賓館等建筑中得到廣泛的應用。

管桁架結構的研究現(xiàn)狀及存在的問題。鋼管結構的應用最早起始于英國，隨后在20世紀80年代人們對鋼管結構設計有了較深的認識，并有了一些有關鋼管的正規(guī)出版物，如“CIDECTBook”。1985年后IIW又給出了焊接鋼管連接的疲勞設計，對其靜載焊接連接設計方法進行了更新，出版了這一設計方法的第二版(IIW1989)。新的設計方法得到國際上的廣泛認可，被許多國際組織采用，如歐洲規(guī)范Eurocode3、美國的AWS、以及CIDECT的設計指南等。桁架結構設計主要是外形尺寸、構件尺寸及節(jié)點形式的設計。外形設計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，應盡量減少連接數量I構件尺寸的選擇與節(jié)點形式相關聯(lián)，應通過節(jié)點承載力計算以及構件強度及穩(wěn)定性驗算來確定。國內外對于管桁架結構的研究，主要集中在管節(jié)點的分析。因為節(jié)點的破壞往往導致與之相連若干桿件的失效。從而使整個結構破壞。對管節(jié)點靜力性能的研究方法，主要有三類：試驗、解析理論和數值分析(有限元方法)。

試驗研究：起初，人們只能通過試驗來認識管節(jié)點的承載性能，驗證設計方案。20世紀60年代，利用鋼模型進行了各種管節(jié)點的靜載試驗和疲勞試驗。1974年首次進行了空間管節(jié)點的模型試驗，測試了4個KK型管節(jié)點在軸力作用下的承載力。1990年測試了軸力作用下KK型空間管節(jié)點。近年來，管節(jié)點在民用建筑中的廣泛應用，使管節(jié)點研究受到重視。沈祖炎等(1998)進行了n個試件的K型管節(jié)點的模型試驗，檢驗了上海八萬人體育館懸挑主桁架的節(jié)點設計方案。

經典解析理論研究：由于管節(jié)點是由幾個圓形鋼管焊接而成的結構，相當于一個空間柱殼結構，因此許多學者采用彈性圓柱殼理論來分析。由于管節(jié)點的邊界條件和幾何形狀復雜，給偏微分方程的求解帶來困難，在大量簡化假設基礎上的解析解與工程實際的差距較大。但這些研究加深了對管節(jié)點的了解程度，為以后的研究打基礎。

有限元計算：近年來，隨著計算機運算速度的不斷加快以及編程語言的發(fā)展，多運用有限元方法進行管節(jié)點的極限承載力計算。劉建平運用有限元軟件ANSYS，對圓管T、Y、K型節(jié)點承受軸向荷載的極限承載力作了計算。賀東哲運用有限元軟件ADINA，以及自主開發(fā)的前后處理程序，研究了TT型圓管節(jié)點分別在軸力、平面內彎矩和平面外彎矩的作用下的承載性能，并與已有公式進行了比較。在此基礎上，提出了TT型圓管節(jié)點平面內彎矩承載力半經驗公式。傅振岐運用有限元方法分析了K型間隙矩形管節(jié)點支管截面的應力分布、節(jié)點變形及節(jié)點參數對節(jié)點強度的影響，最后給出了節(jié)點極限承載力公式。有限元分析中一般采用VnoMISeS屈服準則，并假定等向強化。近年來用連續(xù)介質損傷力學方法模擬裂縫的形成和擴展，并建立了相應斷裂準則。

（來源：建筑時報）