空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用

秦 文，陳小才

（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

大跨度空間結(jié)構(gòu)是衡量一個國家建筑科技水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是一個國家文明發(fā)展程度的象征，世界各國都十分重視大跨度空間結(jié)構(gòu)理論和技術(shù)研究。近10年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，形態(tài)各異的大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在體育場館、會展中心、影劇院、大型商場、機場車站等建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)相應(yīng)進入了一個蓬勃發(fā)展的時期。空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)作為大跨空間結(jié)構(gòu)的一個分支，廣泛應(yīng)用到各大工程中。

1 鋼管桁架結(jié)構(gòu)的概述

鋼管桁架結(jié)構(gòu)，簡單來說就是指由鋼管制成的桁架結(jié)構(gòu)體系，因此又稱為管桁架或管結(jié)構(gòu)。主要是利用鋼管的優(yōu)越受力性能和美觀的外部造型構(gòu)成獨特的結(jié)構(gòu)體系，滿足鋼結(jié)構(gòu)的最新設(shè)計概念。

鋼管截面各向等強度，抗扭剛度大；受彎無弱軸，承載能力高；圓形截面繞流條件和視覺效果好；端頭封閉后抗腐蝕性能好。此外，鋼管組成的結(jié)構(gòu)輕巧美觀，而且用鋼量比型鋼組成的結(jié)構(gòu)省。鋼管外表面面積往往比同樣承載性能的開口截面鋼構(gòu)件要小，這樣可以減少涂漆，降低防火保護費用，在清潔要求較高的場合，像化工廠或食品加工廠的設(shè)備，鋼管結(jié)構(gòu)較容易除塵，且沒有容易積聚灰塵的地方。因此，鋼管結(jié)構(gòu)不僅在海洋工程、橋梁工程、塔桅工程中都得到了廣泛的應(yīng)用，在工業(yè)及民用建筑中的應(yīng)用也日益廣泛。

鋼管桁架結(jié)構(gòu)在節(jié)點處采用桿件直接焊接的相貫節(jié)點。在相貫節(jié)點處，只有在同一軸線上的兩個主管貫通，其余桿件（即支管）通過端部相貫線加工后，直接焊接在貫通桿件（即主管）的外表面；非貫通桿件在節(jié)點部位可能有一定間隙（間隙型節(jié)點），也可能部分重疊（搭接型節(jié)點）。相貫線切割曾被視為難度較高的制造工藝，因為交匯鋼管的數(shù)量、角度、尺寸的不同使得相關(guān)線形態(tài)各異，而且坡口處理困難，但隨著多維數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展，這些難點已被克服。相貫節(jié)點鋼管桁架結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中得到了前所未有的應(yīng)用。

2 鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

國際《空間結(jié)構(gòu)》雜志主編馬考夫斯基（Z.S.Makowski）曾有過以下表述：30年前“空間結(jié)構(gòu)還被認(rèn)為是一種有興趣但仍屬陌生的非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然而今天已經(jīng)被全世界廣泛接受”。可以這樣說，大跨空間結(jié)構(gòu)在近20年來發(fā)展迅速、方興未艾，而大型公共建筑一直是空間鋼結(jié)構(gòu)的主要生長點。

空間鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)水平是一個國家土木建筑業(yè)水平的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，也是一個國家綜合國力的體現(xiàn)。因此，世界各國對空間鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展一直給予高度的重視。現(xiàn)分別結(jié)合國內(nèi)外一些典型工程，以此來回顧空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程。

2.1 國外鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展

世界上第一個現(xiàn)代化的海洋平臺于1947年在墨西哥海灣建成，當(dāng)時工程師對焊接鋼管節(jié)點的性能幾乎一無所知，然而正是第一個海洋平臺的建成，人們才開始認(rèn)識到鋼管作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)越性。1970年英國Sheffield大學(xué)的Easttwood與wood提出了非常重要的鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。1971年Stelco公司出版了世界上第一本鋼管連接設(shè)計手冊，1981年該公司又出版了此手冊的第二版；20世紀(jì)70年代末80年代初國際管結(jié)構(gòu)和研究會（CIDECT）也開始了大量的研究工作；隨后在1981年國際焊接協(xié)會（IIW）發(fā)表了一套新的極限狀態(tài)設(shè)計方法，并于1982年對該方法作了修正，這些方法被公認(rèn)為是比較合理的鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。隨后在20世紀(jì)80年代學(xué)者們對鋼管結(jié)構(gòu)的設(shè)計有了較深的認(rèn)識，并有了一些關(guān)于鋼管的正規(guī)出版物，如，CIDECT Book；1985年后IIW又給出了焊接鋼管連接的疲勞設(shè)計，更新了其靜載焊接連接設(shè)計方法，出版了這一設(shè)計方法的第二版（IIW 1989），新的設(shè)計方法得到國際上的廣泛認(rèn)可，被許多國際組織采用。近年來國外空間鋼桁架結(jié)構(gòu)的部分工程見表1。

表1 近年來國外空間鋼桁架結(jié)構(gòu)的工程信息

2.2 國內(nèi)鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展

我國鋼桁架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)比較薄弱，但隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和綜合國力的顯著提高、工程實踐數(shù)量的增多，我國空間鋼桁架結(jié)構(gòu)的技術(shù)水平也取得了長足的進步，尤其是2008年奧運會主場館鳥巢的落成，為國內(nèi)鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展樹立了新的里程碑。以藍天、張毅剛為代表的一些學(xué)者進行了較為系統(tǒng)的桁架動力性能研究，并在研究的基礎(chǔ)上提出了較為實用、簡便的地震作用設(shè)計方法，這對桁架結(jié)構(gòu)的常規(guī)抗震設(shè)計提供了重要的參考。近年來我國國內(nèi)空間鋼桁架結(jié)構(gòu)的部分工程見表2。

表2 近年來國內(nèi)空間鋼桁架結(jié)構(gòu)的工程信息

總體來說，與國際先進水平相比較，我國空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展仍比較滯后，主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)選型較拘謹(jǐn)，很少有大膽創(chuàng)新之作，在某些新穎結(jié)構(gòu)形式上還處于艱難的起步階段；而且我國還沒有專門的關(guān)于鋼管桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)范，相應(yīng)可參考的設(shè)計資料也較少，這給此類結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用帶來了很大的困難。但近20年來，隨著1982年我國空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)團體——空間結(jié)構(gòu)委員會的成立，鋼管結(jié)構(gòu)在我國得到了極大發(fā)展。伴隨著我國改革開放取得的巨大成就及北京奧運會和上海世博會的成功舉辦，鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景也越來越廣闊。面對未來新的挑戰(zhàn)，作為專業(yè)人員需要努力使其躍上一個新的臺階，完善我國鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

3 結(jié)束語

空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)以其獨特的造型優(yōu)勢在越來越多的工程中得以應(yīng)用。但相對于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，目前關(guān)于空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的研究還相對匱乏，沒有形成系統(tǒng)性的方法。空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的發(fā)展空間還很廣泛，有待學(xué)者們進行更深層次的研究。