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鋼管桁架結構在建筑中的應用
作者:管理員 來源: 發表時間:2015-06-05

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,與一般桁架的區別在于連接節點的方式不同:網架結構采用螺栓球或空心球節點。過去的屋架經常采用板型節點,而管桁結構在節點處采用的是桿件直接焊接的相貫節點(或稱管節點)。在相貫節點處,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點部位可能有一定間隙(間隙型節點),也可能部分重疊(搭接型節點)。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各異,而且坡口處理困難。但隨著多維數控切割技術的發展。這些難點已被克服。目前國內一些企業裝備了這一技術,相貫節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定。在現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點,且腹桿下料長度統一,這樣可極大地節約材料與加工工時。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。
管桁架的優點。隨著大型公共建筑的發展,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美的外觀、合理的受力特點以及優越的經濟性,在現代工業廠房、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點形式相關聯,應通過節點承載力計算以及構件強度及穩定性驗算來確定。國內外對于管桁架結構的研究,主要集中在管節點的分析。因為節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點的靜載試驗和疲勞試驗。1974年首次進行了空間管節點的模型試驗,測試了4KK型管節點在軸力作用下的承載力。1990年測試了軸力作用下KK型空間管節點。近年來,管節點在民用建筑中的廣泛應用,使管節點研究受到重視。沈祖炎等(1998)進行了n個試件的K型管節點的模型試驗,檢驗了上海八萬人體育館懸挑主桁架的節點設計方案。
經典解析理論研究:由于管節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展,多運用有限元方法進行管節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,以及自主開發的前后處理程序,研究了TT型圓管節點分別在軸力、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型間隙矩形管節點支管截面的應力分布、節點變形及節點參數對節點強度的影響,最后給出了節點極限承載力公式。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。

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