拱形管桁架結構的工程應用和發展前景探究

王波

摘 要 隨著國家經濟建設的發展，大跨度空間結構的應用越來越廣泛。結構的類型和形式多種多樣，其中拱形管桁架結構被越來越多地應用到體育館，會展中心，飛機場，航站樓，大型工業廠房等；本文對拱形管桁架結構所具有的優點進行了探討，結合該結構在建筑工程中的具體應用，展望了拱形管桁架結構的應用前景，并結合其不足之處，以推廣拱形管桁架結構的使用。

關鍵詞 拱形管桁架 工程應用 力學性能

0引言

拱形結構又稱之為推力結構，它的特點是可以利用其曲線拱軸將外荷載產生的彎矩轉化成軸向壓力，從而提高結構的效率。桁架結構是由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結構，由直桿組成的一般具有矩形或三角形單元的平面或空間結構，桁架桿件主要承受軸向拉力或壓力，從而使材料得到充分的利用。針對大跨度建筑結構，可較實腹梁有節省材料用量，減輕結構自重和增大剛度等優點。

拱形管桁架結構結合了以上兩種結構跨越能力強、承載力高等優點，是將拱形狀的鋼管通過焊接的方式連接成一個整體的結構形式，由于平面管桁結構所有的鋼管都在一個平面內，其穩定性不能得到保障，所以拱形管桁架結構通常采用倒三角形截面形式，這種截面形式穩定性好，在橋梁、房屋等建筑工程中得到了廣泛的應用。

1拱形管桁架在大跨度建筑工程中的應用

隨著我國近年來鋼鐵產量和質量的不斷增加，拱形管桁架得到廣泛的使用，在大跨度建筑工程中所占的比重日趨增大，廣泛應用于體育館，會展中心，飛機場，航站樓等，大型工業廠房等大型公共建筑中。

1.1國外的應用實例

鋼管結構的應用最早追溯于1947年在墨西哥海灣建成的世界上第一個現代化的海洋平臺，建成之后工程師們對鋼管結構有了初步的了解，隨著鋼材的發展，工程師們把這種結構逐漸用于大型公共建筑，比如工業廠房、飛機庫、體育館、展覽館和商場等眾多工業與民用建筑工程。

近幾年來，隨著鋼管桁架理論知識與施工工藝技術的發展，世界上許多國家的地標性建筑均選用鋼管桁架結構，大跨度空間鋼結構進入到一個蓬勃發展的時期。

2014年竣工的新加坡國家體育館，聲稱是世界最大的跨度穹頂建筑。跨度達310米，彎曲的穹頂是一種非常標志性的建筑結構形式。而穹頂就是由拱形管桁架組成。

2016年奧運會卡里奧卡體育館是一座位于巴西里約熱內盧巴拉的室內體育場館，體育館上部屋蓋主要由拱形管桁架結構組成。主體結構包括1、2、3號館，在奧運會期間分別主辦了籃球、柔道和摔跤、擊劍和跆拳道等體育賽事。

1.2 國內的應用實例

我國鋼結構行業的興起始于20世紀80年代，相對于世界上一些發達國家，發展起步較晚，但經過幾十年的迅猛發展，空間鋼管桁架結構在大跨度建筑中得到廣泛應用 。

北京奧林匹克籃球館，是2008年北京奧運會籃球比賽場館，總面積6.3萬平方米。獲2008年度魯班獎和第八屆詹天佑大獎。體育館為框架-剪力墻加鋼支撐結構，頂部為雙向正交鋼桁架，地下一層，地上六層。

大跨度空間鋼管桁架結構在橋梁和公路中的應用也十分廣泛，例如寧波北侖春曉大橋，該橋跨越梅山水道，西起春曉洋沙山東六路與春曉東八路交叉口，終點位于梅山島鹽湖路與港灣路交叉口，全長約1.971公里，總投資11.7億元。主橋采用中承式雙層桁架系桿拱橋，拱肋采用兩片相互平行的全鋼桁架拱，每片拱肋由上下弦桿和腹桿組成。

2拱形管桁架的優點

2.1鋼管具有優越的力學性能

從力學的角度講，拱以其獨特的曲線形式實現了彎矩向軸力的轉化，而桁架則通過格構的方式將彎矩轉化為桿件的軸力。而桁架拱將拱和桁架相結合，便形成了一種受力更為合理的新型結構形式。

2.2經濟性能好

由于該結構選用的是薄壁鋼管截面，有效地減輕了結構自重而且節約了材料，上下弦桿與腹桿之間采用焊接方法鏈接，不需要多余的連接件，由于鋼管是閉口構件，比表面積小，大大節省了防腐和維修的費用。

2.3工業化程度高，建設周期短

網架結構的構件，其尺寸和形狀大量相同，可在工廠成批生產，且質量好、效率高、同時不與土建爭場地，且不受氣候影響，因而現場工作量小，工期縮短。

2.4抗震性能好

由于網架結構自重輕，地震時產生的地震力就小，同時鋼材具有良好的延伸性，可吸收大量地震能量，網架空間剛度大，結構穩定不會倒塌，所以具備優良的抗震性能。

3空間鋼管桁架結構的不足及展望

3.1空間鋼管桁架結構的不足

（1）不耐火：溫度超過250℃以內時，材質發生較大變化，不僅強度逐步降低，還會發生藍脆和徐變現象。溫度達600℃時，鋼材進入塑性狀態不能繼續承載。

（2）腐蝕性差：處于較差腐蝕性，鋼結構在涂油漆前應徹底除銹，油漆質量和涂層厚度均應符合相關規范要求。在設計中應避免使結構受潮、漏雨，構造上應盡量避免存在于檢查、維修的死角。新建造的鋼結構一般隔一定時間都要重新刷涂料，維護費用較高。

（3）大跨度空間管桁結構對承載力和穩定性的要求很高，設計中稍有差池，結構就會出現局部失穩或整體失穩的現象，最終導致結構的崩塌，造成嚴重的損失。近年來，國內外就鋼結構的穩定性問題取得了較多的成果，但是仍需進一步研究。

3.2展望

空間鋼管桁架結構以其獨特的造型優勢在越來越多的工程中得以應用。但相對于網格結構中的網殼結構及網架結構，目前關于空間鋼管桁架結構的研究還相對匱乏，沒有形成系統性的方法。空間鋼管桁架結構的發展空間還很廣泛，有待學者們進行更深層次的研究。

參考文獻

[1] 汪軍.大跨度鋼桁架結構施工技術研究[D].天津大學，2004.

[2] 董石麟.我國大跨度空間鋼結構的發展與展望[J].空間結構，2000，（02）：3-13.

[3] 劉旭，黃政華，黃勇.平面鋼管桁架拱平面內穩定承載力的參數分析[J].貴州大學學報（自然科學版），2013，（06）：118-121.

[4] 琚婷婷. 鋼管桁架拱結構抗震性能研究[D].武漢科技大學，2014.