鋼管桁架結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用

鋼管桁架結(jié)構(gòu)是鋼管結(jié)構(gòu)中的重要一種，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，也稱鋼桁結(jié)構(gòu)、管桁架和管結(jié)構(gòu)。由于適應(yīng)性比較強(qiáng)，近年來在大跨空間結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。

管桁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(diǎn)的方式不同：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用螺栓球或空心球節(jié)點(diǎn)。過去的屋架經(jīng)常采用板型節(jié)點(diǎn)，而管桁結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)處采用的是桿件直接焊接的相貫節(jié)點(diǎn)(或稱管節(jié)點(diǎn))。在相貫節(jié)點(diǎn)處，只有在同一軸線上的兩個(gè)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(diǎn)部位可能有一定間隙(間隙型節(jié)點(diǎn))，也可能部分重疊(搭接型節(jié)點(diǎn))。相貫線切割曾被視為是難度較高的制造工藝。因?yàn)榻粎R鋼管的數(shù)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(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展。這些難點(diǎn)已被克服。目前國內(nèi)一些企業(yè)裝備了這一技術(shù)，相貫節(jié)點(diǎn)管桁結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中得到前所未有的應(yīng)用。

管桁架的分類。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，提高了側(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。

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(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)。

管桁架的優(yōu)點(diǎn)。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(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。鋼管結(jié)構(gòu)因其具有優(yōu)美的外觀、合理的受力特點(diǎn)以及優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性，在現(xiàn)代工業(yè)廠房、倉庫、體育館、展覽館、會(huì)場(chǎng)、航站樓、車站及辦公樓、商住樓、賓館等建筑中得到廣泛的應(yīng)用。

管桁架結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及存在的問題。鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用最早起始于英國，隨后在20世紀(jì)80年代人們對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有了較深的認(rèn)識(shí)，并有了一些有關(guān)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(shè)計(jì)，對(duì)其靜載焊接連接設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了更新，出版了這一設(shè)計(jì)方法的第二版(IIW1989)。新的設(shè)計(jì)方法得到國際上的廣泛認(rèn)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(shè)計(jì)指南等。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I構(gòu)件尺寸的選擇與節(jié)點(diǎn)形式相關(guān)聯(lián)，應(yīng)通過節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算以及構(gòu)件強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算來確定。國內(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：試驗(yàn)、解析理論和數(shù)值分析(有限元方法)。

試驗(yàn)研究：起初，人們只能通過試驗(yàn)來認(rèn)識(shí)管節(jié)點(diǎn)的承載性能，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。20世紀(jì)60年代，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)。1974年首次進(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。1990年測(cè)試了軸力作用下KK型空間管節(jié)點(diǎn)。近年來，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)了上海八萬人體育館懸挑主桁架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。

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困難，在大量簡(jiǎn)化假設(shè)基礎(chǔ)上的解析解與工程實(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)。

有限元計(jì)算：近年來，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的不斷加快以及編程語言的發(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。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。

（來源：建筑時(shí)報(bào)）