大跨度管桁架屋盖体系结构性能研究

摘要:钢管结构是指钢结构的全部或部分结构构件采用空心钢管的结构。管桁架结构是钢结构的一种,其在国内外得到了较快的发展。它是桁架结构采用钢管材料构成的一种结构形式,也称钢桁结构、管桁架和管结构等。由于适应性比较强,近年来在大跨空间结构中得到了广泛应用。

关键词:钢管结构;管桁架结构;大跨空间

中图分类号:TV393 文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)24-0158-02

一、管桁架结构概述

(一)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。

(二)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。

(三)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。

(四)管桁架的优点

近20年以来,管桁架结构在国内外得到了较快的发展。当前,我国建筑业发展的总目标是:提高建筑业的整体素质、工业生产与技术装备水平,达到在国际建筑市场中具有较强的竞争能力,并充分发挥建筑业在带动国民经济增长和结构调整中的先导产业作用,到2010年使建筑业成为名副其实的国民经济支柱产业。建筑业要带动相关产业发展,加快发展钢结构工程是一个很重要的方面。在钢结构发展过程中,高性能钢材的应用推动了钢结构工程的全面进步。轧制H型钢、冷弯薄壁型钢和空心钢管的出现极大地改善了钢构件的力学性能,降低了制造成本。

随着大型公共建筑的发展,对结构的空间和跨度的要求越来越高,空间钢管桁架以其良好的承载和稳定性能得到了广泛的应用。空间钢管桁架的结构形式按照桁架的截面形式可分为三角形空间桁架、四边形空间桁架、多边形空间桁架及变截面空间桁架等。

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。

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料的消耗和涂装工作量。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他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。

二、管桁架结构性能的研究

桁架结构设计主要是外形尺寸、构件尺寸及节点形式的设计。外形设计主要是桁架的总体布置、跨度、高度、节间距离、桁架间距及腹杆的布置,应尽量减少连接数量;构件尺寸的选择与节点形式相关联,应通过节点承载力计算以及构件强度及稳定性验算来确定。

国内外对于管桁架结构的研究,主要集中在管节点的分析。因为节点的破坏往往导致与之相连若干杆件的失效,从而使整个结构破坏。对管节点静力性能的研究方法,主要有三类:试验、解析理论和数值分析(有限元方法)。

(一)试验研究

起初,人们只能通过试验来认识管节点的承载性能,验证设计方案。60年代,ToPrac,Buowkampetal利用钢模型进行了各种管节点的静载试验和疲劳试验。

Akyima(1974)首次进行了空间管节点的模型试验,测试了4个KK型管节点在轴力作用下的承载力。Muoyt和Rnodal(1990)测试了轴力作用下KK型空间管节点。Socla(1990)进行了8个TT型空间管节点轴力试验。Pual(1991)进行了12个竹型空间管节点轴力试验。最近,人们开始关心杂交管节点的研究,Gandhi(1998)进行了7个T型方主管圆支管试验,研究了节点的疲劳性能。

近年来,管节点在民用建筑中的广泛应用,使管节点研究受到重视。沈祖炎等(1998)进行了n个试件的K型管节点的模型试验,检验了上海八万人体育馆悬挑主桁架的节点设计方案。

(二)经典解析理论研究

由于管节点是由几个圆形钢管焊接而成的结构,相当于一个空间柱壳结构,因此许多学者采用弹性圆柱壳理论来分析。由于管节点的边界条件和几何形状复杂,给偏微分方程的求解带来困难,在大量简化假设基础上的解析与工程实际的差距较大,但这些研究加深了对管节点的了解程度,为以后的研究打基础。

(三)有限元计算

近年来,随着计算机运算速度的不断加快以及编程语言的发展,多运用有限元方法进行管节点的极限承载力计算。

刘建平运用有限元软件ANSYS,对圆管T、Y、K型节点承受轴向荷载的极限承载力作了计算。贺东哲运用有限元软件ADINA,以及自主开发的前后处理程序,研究了TT型圆管节点分别在轴力、平面内弯矩和平面外弯矩的作用下的承载性能,并与已有公式进行了比较。在此基础上,提出了TT型圆管节点平面内弯矩承载力半经验公式。

Koskimaki运用有限元软件ABAQUS,研究了一个K型矩形管节点在两组边界和轴向荷载条件下的承载性能,并分析了支管壁的应力分布。Davies运用有限元软件LUSAS,研究了X型矩形管节点受支管轴向拉力的荷载位移曲线,并与试验结果进行了对比,两者显示了较好的一致性。

傅振岐运用有限元方法分析了K型间隙矩形管节点支管截面的应力分布、节点变形及节点参数对节点强度的影响,最后给出了节点极限承载力公式。

有限元分析中一般采用VnoMISeS屈服准则,并假定等向强化。近年来用连续介质损伤力学方法模拟裂缝的形成和扩展,并建立了相应断裂准则。

三、结论

利用空间钢管桁架作为屋盖结构具有很多优点,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。

参考文献

[1]施功.机场航站楼拱——桁架支撑体系屋盖的设计与施工研究[D].同济大学,2007.

[2]吕晶,徐国彬,王月栋.奥运会主体育场开合部分结构设计探讨[J].北方交通大学学报,2003,(4).

作者简介:刘国忠(1968- ),男,河南中牟人,供职于河南省郑州市中牟县建设局设计室,研究方向:建筑规划及设计。