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钢管桁架结构在建筑中的应用
 
  

钢管桁架结构是钢管结构中的重要一种,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。由于适应性比较强,近年来在大跨空间结构中得到广泛应用。
  管桁结构的结构体系为平面或空间桁架,与一般桁架的区别在于连接节点的方式不同:网架结构采

用螺栓球或空心球节点。过去的屋架经常采用板型节点,而管桁结构在节点处采用的是杆件直接焊接的

相贯节点(或称管节点)。在相贯节点处,只有在同一轴线上的两个主管贯通。其余杆件(即支管)通过端

部相贯线加工后,直接焊接在贯通杆件(即主管)的外表非贯通杆件在节点部位可能有一定间隙(间隙型节

点),也可能部分重叠(搭接型节点)。相贯线切割曾被视为是难度较高的制造工艺。因为交汇钢管的数量

、角度、尺寸的不同使得相贯线形态各异,而且坡口处理困难。但随着多维数控切割技术的发展。这些

难点已被克服。目前国内一些企业装备了这一技术,相贯节点管桁结构在大跨度建筑中得到前所未有的

应用。
  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,提高了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。
  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。接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。
  管桁架的优点。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广泛应用。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。钢管结构因其具有优美的外观、合理

的受力特点以及优越的经济性,在现代工业厂房、仓库、体育馆、展览馆、会场、航站楼、车站及办公

楼、商住楼、宾馆等建筑中得到广泛的应用。
  管桁架结构的研究现状及存在的问题。钢管结构的应用最早起始于英国,随后在20世纪80年代人们

对钢管结构设计有了较深的认识,并有了一些有关钢管的正规出版物,如“CIDECTBook”。1985年后IIW

又给出了焊接钢管连接的疲劳设计,对其静载焊接连接设计方法进行了更新,出版了这一设计方法的第

二版(IIW1989)。新的设计方法得到国际上的广泛认可,被许多国际组织采用,如欧洲规范Eurocode3、

美国的AWS、以及CIDECT的设计指南等。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I

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)。
  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。20世纪60年代,利

用钢模型进行了各种管节点的静载试验和疲劳试验。1974年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。1990年测试了轴力作用下KK型空间管节点。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。
  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解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。
  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。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。 (建筑时报)

 
 
 
 
 
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