拱形管桁架结构的工程应用和发展前景探究

2017-07-25王波

科教导刊·电子版 2017年17期

王波

摘要随着国家经济建设的发展，大跨度空间结构的应用越来越广泛。结构的类型和形式多种多样，其中拱形管桁架结构被越来越多地应用到体育馆，会展中心，飞机场，航站楼，大型工业厂房等；本文对拱形管桁架结构所具有的优点进行了探讨，结合该结构在建筑工程中的具体应用，展望了拱形管桁架结构的应用前景，并结合其不足之处，以推广拱形管桁架结构的使用。

关键词拱形管桁架工程应用力学性能

0引言

拱形结构又称之为推力结构，它的特点是可以利用其曲线拱轴将外荷载产生的弯矩转化成轴向压力，从而提高结构的效率。桁架结构是由杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构，由直杆组成的一般具有矩形或三角形单元的平面或空间结构，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而使材料得到充分的利用。针对大跨度建筑结构，可较实腹梁有节省材料用量，减轻结构自重和增大刚度等优点。

拱形管桁架结构结合了以上两种结构跨越能力强、承载力高等优点，是将拱形状的钢管通过焊接的方式连接成一个整体的结构形式，由于平面管桁结构所有的钢管都在一个平面内，其稳定性不能得到保障，所以拱形管桁架结构通常采用倒三角形截面形式，这种截面形式稳定性好，在桥梁、房屋等建筑工程中得到了广泛的应用。

1拱形管桁架在大跨度建筑工程中的应用

随着我国近年来钢铁产量和质量的不断增加，拱形管桁架得到广泛的使用，在大跨度建筑工程中所占的比重日趋增大，广泛应用于体育馆，会展中心，飞机场，航站楼等，大型工业厂房等大型公共建筑中。

1.1国外的应用实例

钢管结构的应用最早追溯于1947年在墨西哥海湾建成的世界上第一个现代化的海洋平台，建成之后工程师们对钢管结构有了初步的了解，随着钢材的发展，工程师们把这种结构逐渐用于大型公共建筑，比如工业厂房、飞机库、体育馆、展览馆和商场等众多工业与民用建筑工程。

近几年来，随着钢管桁架理论知识与施工工艺技术的发展，世界上许多国家的地标性建筑均选用钢管桁架结构，大跨度空间钢结构进入到一个蓬勃发展的时期。

2014年竣工的新加坡国家体育馆，声称是世界最大的跨度穹顶建筑。跨度达310米，弯曲的穹顶是一种非常标志性的建筑结构形式。而穹顶就是由拱形管桁架组成。

2016年奥运会卡里奥卡体育馆是一座位于巴西里约热内卢巴拉的室内体育场馆，体育馆上部屋盖主要由拱形管桁架结构组成。主体结构包括1、2、3号馆，在奥运会期间分别主办了篮球、柔道和摔跤、击剑和跆拳道等体育赛事。

1.2 国内的应用实例

我国钢结构行业的兴起始于20世纪80年代，相对于世界上一些发达国家，发展起步较晚，但经过几十年的迅猛发展，空间钢管桁架结构在大跨度建筑中得到广泛应用。

北京奥林匹克篮球馆，是2008年北京奥运会篮球比赛场馆，总面积6.3万平方米。获2008年度鲁班奖和第八届詹天佑大奖。体育馆为框架-剪力墙加钢支撑结构，顶部为双向正交钢桁架，地下一层，地上六层。

大跨度空间钢管桁架结构在桥梁和公路中的应用也十分广泛，例如宁波北仑春晓大桥，该桥跨越梅山水道，西起春晓洋沙山东六路与春晓东八路交叉口，终点位于梅山岛盐湖路与港湾路交叉口，全长约1.971公里，总投资11.7亿元。主桥采用中承式双层桁架系杆拱桥，拱肋采用两片相互平行的全钢桁架拱，每片拱肋由上下弦杆和腹杆组成。

2拱形管桁架的优点

2.1钢管具有优越的力学性能

从力学的角度讲，拱以其独特的曲线形式实现了弯矩向轴力的转化，而桁架则通过格构的方式将弯矩转化为杆件的轴力。而桁架拱将拱和桁架相结合，便形成了一种受力更为合理的新型结构形式。

2.2经济性能好

由于该结构选用的是薄壁钢管截面，有效地减轻了结构自重而且节约了材料，上下弦杆与腹杆之间采用焊接方法链接，不需要多余的连接件，由于钢管是闭口构件，比表面积小，大大节省了防腐和维修的费用。

2.3工业化程度高，建设周期短

网架结构的构件，其尺寸和形状大量相同，可在工厂成批生产，且质量好、效率高、同时不与土建争场地，且不受气候影响，因而现场工作量小，工期缩短。

2.4抗震性能好

由于网架结构自重轻，地震时产生的地震力就小，同时钢材具有良好的延伸性，可吸收大量地震能量，網架空间刚度大，结构稳定不会倒塌，所以具备优良的抗震性能。

3空间钢管桁架结构的不足及展望

3.1空间钢管桁架结构的不足

（1）不耐火：温度超过250℃以内时，材质发生较大变化，不仅强度逐步降低，还会发生蓝脆和徐变现象。温度达600℃时，钢材进入塑性状态不能继续承载。