空间钢管桁架结构的发展及应用

2011-04-12陈小才

科学之友 2011年9期

秦文，陈小才

（太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原 030024）

大跨度空间结构是衡量一个国家建筑科技水平的重要标准，也是一个国家文明发展程度的象征，世界各国都十分重视大跨度空间结构理论和技术研究。近10年来，随着我国经济的发展和科学技术的不断进步，形态各异的大跨度空间钢结构在体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、机场车站等建筑中得到了广泛的应用。大跨度空间钢结构相应进入了一个蓬勃发展的时期。空间钢管桁架结构作为大跨空间结构的一个分支，广泛应用到各大工程中。

1 钢管桁架结构的概述

钢管桁架结构，简单来说就是指由钢管制成的桁架结构体系，因此又称为管桁架或管结构。主要是利用钢管的优越受力性能和美观的外部造型构成独特的结构体系，满足钢结构的最新设计概念。

钢管截面各向等强度，抗扭刚度大；受弯无弱轴，承载能力高；圆形截面绕流条件和视觉效果好；端头封闭后抗腐蚀性能好。此外，钢管组成的结构轻巧美观，而且用钢量比型钢组成的结构省。钢管外表面面积往往比同样承载性能的开口截面钢构件要小，这样可以减少涂漆，降低防火保护费用，在清洁要求较高的场合，像化工厂或食品加工厂的设备，钢管结构较容易除尘，且没有容易积聚灰尘的地方。因此，钢管结构不仅在海洋工程、桥梁工程、塔桅工程中都得到了广泛的应用，在工业及民用建筑中的应用也日益广泛。

钢管桁架结构在节点处采用杆件直接焊接的相贯节点。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）的外表面；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、尺寸的不同使得相关线形态各异，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。相贯节点钢管桁架结构在大跨度建筑中得到了前所未有的应用。

2 钢管桁架结构的发展现状

国际《空间结构》杂志主编马考夫斯基（Z.S.Makowski）曾有过以下表述：30年前“空间结构还被认为是一种有兴趣但仍属陌生的非传统结构，然而今天已经被全世界广泛接受”。可以这样说，大跨空间结构在近20年来发展迅速、方兴未艾，而大型公共建筑一直是空间钢结构的主要生长点。

空间钢结构的技术水平是一个国家土木建筑业水平的重要衡量标准，也是一个国家综合国力的体现。因此，世界各国对空间钢结构技术的发展一直给予高度的重视。现分别结合国内外一些典型工程，以此来回顾空间钢结构的发展历程。

2.1 国外钢管桁架结构的发展

世界上第一个现代化的海洋平台于1947年在墨西哥海湾建成，当时工程师对焊接钢管节点的性能几乎一无所知，然而正是第一个海洋平台的建成，人们才开始认识到钢管作为结构构件的优越性。1970年英国Sheffield大学的Easttwood与wood提出了非常重要的钢管结构设计方法。1971年Stelco公司出版了世界上第一本钢管连接设计手册，1981年该公司又出版了此手册的第二版；20世纪70年代末80年代初国际管结构和研究会（CIDECT）也开始了大量的研究工作；随后在1981年国际焊接协会（IIW）发表了一套新的极限状态设计方法，并于1982年对该方法作了修正，这些方法被公认为是比较合理的钢管结构设计方法。随后在20世纪80年代学者们对钢管结构的设计有了较深的认识，并有了一些关于钢管的正规出版物，如，CIDECT Book；1985年后IIW又给出了焊接钢管连接的疲劳设计，更新了其静载焊接连接设计方法，出版了这一设计方法的第二版（IIW 1989），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。近年来国外空间钢桁架结构的部分工程见表1。

表1 近年来国外空间钢桁架结构的工程信息

2.2 国内钢管桁架结构的发展

我国钢桁架结构的基础比较薄弱，但随着我国国民经济的飞速发展和综合国力的显著提高、工程实践数量的增多，我国空间钢桁架结构的技术水平也取得了长足的进步，尤其是2008年奥运会主场馆鸟巢的落成，为国内钢管桁架结构的发展树立了新的里程碑。以蓝天、张毅刚为代表的一些学者进行了较为系统的桁架动力性能研究，并在研究的基础上提出了较为实用、简便的地震作用设计方法，这对桁架结构的常规抗震设计提供了重要的参考。近年来我国国内空间钢桁架结构的部分工程见表2。

表2 近年来国内空间钢桁架结构的工程信息

总体来说，与国际先进水平相比较，我国空间钢管桁架结构的发展仍比较滞后，主要表现在结构选型较拘谨，很少有大胆创新之作，在某些新颖结构形式上还处于艰难的起步阶段；而且我国还没有专门的关于钢管桁架结构的设计规范，相应可参考的设计资料也较少，这给此类结构形式的应用带来了很大的困难。但近20年来，随着1982年我国空间结构学术团体——空间结构委员会的成立，钢管结构在我国得到了极大发展。伴随着我国改革开放取得的巨大成就及北京奥运会和上海世博会的成功举办，钢管结构的应用前景也越来越广阔。面对未来新的挑战，作为专业人员需要努力使其跃上一个新的台阶，完善我国钢管桁架结构的发展。