钢管结构在高层建筑中的应用

钢管结构在建筑结构中的应用

　　　　近年来，钢管结构不仅在海洋工程、桥梁工程中得到了广泛应用，而且在工业及民用建筑中的应用日益广泛，钢管结构在我国建筑结构中的应用也越来越多，如宝钢三期工程中采用方管桁架，吉林滑冰练习馆、哈尔滨冰雪展览馆、上海“东方明珠”电视塔和长春南岭万人体育馆均采用方钢管作为主要结构构件。在公共建筑领域，钢管结构中独特的结构形式层出不穷，如悉尼水上运动中心，美国迦登格罗芙水晶教堂；单层大空间建筑领域，除了在超级市场、货栈和仓库中继续广泛应用外，还出现了一些超大型结构，如新加坡章楦机场机库，大阪国际机场候机厅；另外还有轻型大跨结构，如人行天桥和起重机结构；其他特殊用途的结构，如天线桅杆和航天发射架等。

　　　　2、钢管桁架结构的形式及特点

　　　　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。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。目前国内的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了前所未有的应用。

　　　　（1）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 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品空间刚架结构，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。

　　　　（2）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。

　　　　（3）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、宾馆等建筑中得到了广泛的应用。

　　　　3、管桁架结构的研究现状及存在的问题

　　　　钢管结构的应用 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 二版（IIW1989），新的设计方法得到了国际上的广泛认可，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）。

　　　　（1）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 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。

　　　　（2）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。

　　　　（3）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， 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。