空间桁架的结构特点及其在水利电力工程中的应用

2013-10-23陈凯

水利规划与设计 2013年12期

陈凯

（上海勘测设计研究院上海 200434)

1 引言

空间桁架主要是由上弦杆、腹杆和下弦杆通过相应节点连接而成的，截面呈三角形或四边形的格构式空间杆系结构。从19世纪30年代由德国MERO提出空间桁架结构设想，到1970年大阪世界博览会尽现空间桁架的特殊魅力，再到近年来世界各国因举办大型体育赛事、展览会等而大量兴建此类结构，空间桁架结构在世界范围内得到了广泛应用与长足发展。

我国从20世纪90年代以来，由于经济的快速发展、社会的强大需求，特别是在经历了2008年奥运会、2010年世博会之后，大量空间桁架结构应运而生，使空间桁架结构的分析、设计及施工技术均得到了长足的发展。空间桁架不仅在传统的公共建筑中应用范围不断扩大，且在水利电力等特殊工程也有广泛应用，结构跨度已达350m以上，悬挑长度也已经突破 50m，其中绝大部分结构的用钢量仅为 100kg/m2左右，相比其他空间结构（如网壳结构、悬索结构、薄壳结构和膜结构)，其在跨度、用钢量及形式适用性等综合性方面具有一定优势，表1列出了近年来国内外建造的典型公共建筑空间桁架工程。

本文在总结分析相关文献的基础上，结合近年来国内外大量空间桁架工程实例，总结了空间桁架的结构特点，介绍了空间桁架在水利电力工程中的应用现状，揭示了近年来空间桁架在大跨、高耸结构中应用日趋广泛的原因，对比传统公共建筑中的空间桁架，指出了其在水利电力等特殊工程中的特殊性及应用价值。

2 空间桁架的结构特点

2.1 结构单元特性

空间桁架结构从单元组成上讲，主要是由相对于索、膜等柔性体系而言具有几何确定性的，被称为刚性单元的桁架杆单元或空间梁单元构成，将单元依据造型和受力需要进行几何组合后，可以创造出平面桁架、立体桁架及拱桁架等诸多具体的结构形式。明确了构成空间桁架结构的单元类型，也就基本上确定了用于结构分析的计算方法和设计程序。

杆单元受轴向的拉压力为主，适合用来模拟桁架、系杆等杆状构件。现代空间桁架结构的计算分析主要依靠基于离散化假定的空间杆系有限单元法（即空间桁架位移法)，该方法是基于杆/梁单元的特性，并结合现代计算机分析技术，而创造出来的一种高效率的数值分析方法，其实质是将结构离散化形成有限数量的杆/梁单元，用局部单元的精确解来逼近整体结构的近似解，采用空间杆系有限元法可以分析任何形式、任意工况下的空间桁架结构。

2.2 节点

节点是空间桁架结构最重要的一个组成部分。空间桁架结构能否大力推广，关键在于节点。目前国内外常用的空间桁架节点形式主要有相贯焊接节点、铸钢节点、螺栓球节点和焊接空心球节点等。

相贯焊接节点主要用于管桁架结构，大多采用主管与支管直接相焊的形式，连接简单、材料节省，无需任何附加形式节点，外形美观，特别是在大跨度空间桁架结构中应用普遍，但节点强度一般低于杆件强度，一定程度上影响了这种结构型式的经济性。如苏州国际博览中心屋面采用下弦是两根平行钢管的倒梯形空间相贯焊接管桁架，其下弦空间并联K形圆钢管相贯节点超出了现行有关国家标准的范畴。

表1 国内外建造的典型公共建筑空间桁架工程

铸钢节点近年来在工程实践中大量应用，特别适合于空间桁架结构中造型比较复杂、杆件交汇密集、受力相对集中的节点部位，可以很好地满足“强节点弱构件”的设计原则，铸钢件材质均匀性好、力学性能佳，与焊接节点相比，其可以缓解由于大量焊缝集中而导致的热应力集中现象，从而直接改善杆件的抗疲劳性能，铸钢件制作工艺复杂，造价高，生产周期长。近年来建造的空间桁架结构中，有大量节点形式采用了铸钢节点，其中天津奥林匹克中心体育场钢管桁架结构中的重要连接节点均采用铸钢节点，节点构造和受力均很复杂。

螺栓球节点由于其现场施工容易、操作简便，可避免高空焊接作业，且加工制作工艺简单，便于量产；焊接空心球节点理论完善、传力可靠、构造简单、价格便宜，球面与杆件相连时，只需钢管沿正截面垂直切割，便能可靠连接。

2.3 与网架结构的异同点

相比满铺式网架结构和实腹式结构，空间桁架可以看成是将网架结构局部抽空后，形成具有明显主次方向的高次超静定空间受力体系，结构体系具多道防线，相比平面结构具有更多的冗余自由度，结构安全储备高，结构杆件布置灵活，尤其是当需要构筑任意曲线形状时，空间桁架构型优势明显。在节点荷载作用下，杆件主要承受轴向的拉力与压力，截面应力分布均匀，可以充分发挥材料的性能，更加节省材料。

空间桁架和网架都是由杆件按照一定规律连接而成的空间杆系结构，杆件受力特性相近。针对空间桁架结构承受的特定外部载荷作用，可以通过调整杆件布置，使杆件内力分布更为合理。而网架结构的杆件内力分布不均匀，部分杆件内力偏大，在外部极限荷载作用下容易率先破坏，可能出现由于局部杆件的破坏而导致整体结构的坍塌；部分杆件内力又较小，不能充分发挥材料性能，很难做到结构内力分布的均匀连续。

空间桁架和网架均可采用空间杆系有限元法求解，在计算机技术没有成熟之前，只能采用人为假定的近似方法来求解一些杆件分布很规律的杆系结构。网架结构在一段时间内得到大力推广的原因就在于采用了适于手算的拟夹层板分析法，而空间桁架构型多变，很难采用适于手算的简化计算模型，在一段时间内阻碍了这种空间结构的发展。随着计算机技术的进步，计算水平不再成为限制空间桁架结构发展的瓶颈，空间桁架必然会应用于更多的工程实践。

3 空间桁架在水利电力工程中的应用现状

空间桁架在水利电力工程中已有广泛应用，如水利工程中闸上交通桥、闸门、楼屋盖，水电站厂房或地下厂房屋盖，输电线路中的桁架塔，以及近年来风电工程中广泛建设的海上测风塔等均见到空间桁架。表2列出了上海勘测设计研究院在水利电力工程中设计完成的部分桁架工程，表3汇总了国内已建主要海上测风塔架工程。

余姚市陶家路出海闸迁建工程主体为一座56m宽的挡潮泄洪闸，共设5孔，中孔净宽20m，边孔为 9m，每孔闸设 1扇工作闸门，闸门采用管桁架式双扉门结构，由面板、桁架式主横梁、竖向桁架、门背斜杆、边梁等组成，桁架式主横梁、竖向连接桁架及门背斜杆采用圆管杆件，用以减小受涌浪的冲击力，且视觉通透造型优美，节点采用管桁节点以节省用钢量。

镇江引航道水利枢纽“镇江之门”连体建筑系由两座塔楼及其顶端的连廊共同组成，其中连廊横跨在两座塔楼上，为多层空间桁架，其弦杆共计有4层，44.750m高程设下桁架，连廊屋顶设上桁架，上下桁架均为钢管相贯焊接桁架，横截面为四边形，上桁架高2.6m，下桁架高1.8m，上下桁架间通过竖向腹杆连接形成整体桁架。

太浦闸改建工程中的启闭机房，建筑采用了空间网格结构，其结构由横向多榀多边形钢架通过纵向系杆连接而成，结构横断面由典型钢架按照一定规律旋转后由纵向连接系相贯连接成整体空间桁架结构单元，整个结构给人以波涛起伏的律动的美感。

东海奉贤和南汇海域的两座测风塔是我国也是亚洲第一批建设的海上测风塔，由上海市发改委委托上海勘测设计研究院设计、总承包，2006年9月竣工，至今运行良好。其中上海南汇海上测风塔，位于海中高8m的混凝土平台上，塔架高62m，采用了自立式钢管桁架，四根立柱中心对称布置成正方形横截面，由下至上分段法兰连接，横截面边长（立柱中心间距)底部为3.3m，10m高程处为 3.22m，顶部为 0.82m；交叉斜腹杆采用螺栓连接；塔架两侧对称设置了6层共12处测风仪支撑杆，支撑杆长度约为所在高程处塔架横截面边长的3倍；所有杆件均采用圆钢管制作，单个塔架用钢量约20t。

4 水利电力工程中空间桁架的特殊性及应用前景

相比传统工程中的空间桁架，由于结构所处环境的不同及工程上对结构使用功能的特殊要求，在水利电力等工程中的空间桁架具有不同于一般桁架的特殊性。

首先，水利电力工程一旦失事，后果严重，因此要求结构体系具多道防线及具备较高安全冗余度；其次，水利工程中的屋（楼)盖往往置于比较狭长的地下洞室或跨河枢纽建筑物之上，水电设备又常常要求厂房具备大跨无柱使用空间；再者，诸如水工钢闸门这样的特种钢结构不仅要求重量轻，更对刚度、变形有严格限制；另外，一些特种结构因特殊环境条件还有自身特点，如海上测风塔架建于海中平台上，施工场地位于海上，作业条件恶劣，日常活动只能在船只上进行，遇不利气候往往不能施工，一般采用占地较少的自立式空间桁架塔。

空间桁架的结构特点很好地满足了水利电力工程对于结构的特殊要求。空间桁架作为一种空间结构体系，整体刚度大、承载能力高，相比平面结构具有更多的冗余自由度，结构安全储备高，结构杆件在三维空间中按照一定规律有机结合，形成一个几何确定、受力明确的空间结构体系，特别适合应用于承受较大荷载作用的水工结构物。

现代城市水利工程除要求结构安全可靠外，越来越关注结构的外观特性，很多结构物在建造初期便被要求成为当地的地标性建筑，以往水工结构物常常给人以“沉闷，单调”的感觉，在结构型式上没有太多的变化，而空间桁架这种结构型式恰恰呈现出“灵活、多变”的风格，其造型优美、构型多变的外观特点很好地迎合了现代水利工程对于结构造型的特殊要求，可以预见空间桁架在未来水利电力工程中的应用前景将更为宽广。