大跨度体育场馆桁架—管桁架简介

发布于：2022-10-24 11:27:24 来自：建筑结构/钢结构工程 0 44 [复制转发]

一、概述

近年来，随着我国钢铁产量的不断增长，钢结构以其自身的优势，在建筑中所占的比例越来越大，钢管桁架结构也取得较大的突破。钢管桁架的最大优点是能将人们对建筑物的功能要求、感观要求以及经济效益要求完美地结合在一起；管桁架结构因具有造型美观、制作安装方便、结构稳定性好、屋盖刚度大、经济效果好等特点，已广泛应用于公共建筑中，如各种体育场、飞机场、火车站、展览馆等。

（一）管桁架的定义

管桁架是指用圆杆件在端部相互连接而组成的格子式结构。桁件使桁架结构用料经济、结构自重轻，易于构成各种外形以适应不同的用途，譬如可以做成简支桁架、拱、框架及塔架等。

（二）管桁架的特点

管桁架结构与网架结构相比，管桁架结构省去下弦纵向杆件和网架的球节点，可满足各种不同建筑形式的要求，尤其是构筑圆拱和任意曲线形状比网架结构更有优势。其各向稳定性相同，节省材料用量。钢管桁架结构是在网架结构的基础上发展起来的，与网架结构相比具有其独特的优越性和实用性，结构用钢量也较经济。

与传统的开口截面(H型钢和I字钢)钢桁架相比，管桁架结构截面材料绕中和轴较均匀分布，使截面同时具有良好的抗压和抗弯扭承载能力及较大刚度，不用节点板，构造简单。最重要的是管桁结构外形美观，便于造型有一定装饰效果。管桁架结构整体性能好，扭转刚度大且外表美观，制作、安装、翻身、起吊都比较容易;由冷弯薄壁型钢制作的钢管屋架，具有结构轻、刚度好、节省钢材，并能充分发挥材料强度等优点，尤其是在由长细比控制的压杆及支撑系统中采用更为经济。目前采用这种结构的建筑物基本属于公共建筑。该结构具有造型美观(可建成平板形、圆拱形、任意曲线形)、制作安装方便、结构稳定性好、屋盖刚度大、经济效果好等特点。

（三）管桁架的应用

桁架是指由杆件在端部相互连接而组成的格子式结构，管桁架即是指结构中的杆件均为圆管杆件。桁架中的杆件大部分情况下只受轴线拉力或压力，应力在截面上均匀分布，因而容易发挥材料的作用，这些特点使得桁架结构用料经济，结构自重小。易于构成各种外形以适应不同的用途，譬如可以做成简支桁架、拱、框架及塔架等，因而桁架结构在现今的许多大跨度的场馆建筑，如会展中心、体育场馆或其他一些大型公共建筑中得到了广泛运用。

（四）管桁架的加工

大部分桁架结构中的杆件均在节点处采用焊接连接，而在焊接之前，需预先将要焊接的各杆件焊缝形状进行腹杆及弦杆的下料切割，这就需要对腹杆端头进行相贯线切割及弦杆的开槽切割。相贯线的加工，传统工艺方法一般采用人工放样、手工气割和砂轮打磨坡口。这种加工方法尺寸精度低，坡口质量差，且加工速度慢，已无法满足工程需要。随着科学技术的发展，目前已经出现了五维和六维数控加工设备，只需技术人员采用专用实体编辑软件，得出相贯面原始数据后，传输到切割设备的计算机上，即可对管子进行全自动等离子或火焰切割，相贯线与坡口一次成形。此种加工方法精度和外观质量都较好，杆件的长度误差可以控制在1mm以内，坡口平滑光洁，无需打磨即可直接组焊。

对于矩形钢管可分为正方形钢管和长方形钢管，正方形钢管可用六维数控相贯线切割机加工，其加工方法与圆钢管相贯线加工相同。而长方形钢管的相贯线加工还没有专门的数控相贯线加工设备，一般采用半自动切割或手工切割。当用手工切割时，首先由技术人员在计算机上按1：1放样，然后工人按1：1制作样板，按样板划线后进行切割。采用半自动切割机进行切割的工艺，工艺流程如下：

二、管桁架的分类

（一）按受力特性和杆件布置分类

平面管桁架结构（普腊特式桁架、华伦式桁架、芬克式桁架和拱形桁架）。

空间管桁架结构（通常为三角形截面）。

图xxx 广东省广州火车站

（二）按连接构件的不同截面分类

C-C型桁架：主管和支管均为圆管相贯，相贯线为空间马鞍型曲线，是目前国内应用最为广泛的一种。

R-R型桁架：主管和支管均为方钢管或矩形管相贯，是目前国外应用最为广泛的一种。

图xxx 重庆江北机场屋面矩形桁架（主桁架）

R-C型桁架：矩形截面主管和圆形截面支管相贯。

图xxx 重庆江北机场屋面R-C型桁架（次桁架）

（三）按桁架的外形分类

分为直线型和曲线型管桁架结构。

三、管桁架的组成

单榀管桁架由上弦杆、下弦杆和腹杆组成。

管桁架结构一般由主桁架、次桁架、系杆和支座共同组成。

图xxx 晋江火车站站台雨棚

四、管桁架的优缺点

优点：

1.节点形式简单

2.刚度大，几何特性好

3.施工简单

4.有利于防锈和清洁维护

5.圆管截面的管桁架结构流体动力特性好

局限性：

1.材料强度不能充分发挥，用钢量大

2.相贯节点的加工与放样复杂

3.焊接质量要求高，且工作量大

五、管桁架的材料

（一）钢材

1、管桁架结构用钢管材料，其质量应分别符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700、《优质碳素结构钢》GB/T 699、《低合金高强度结构钢》GB/T1591和《建筑结构用钢板》GB/T19879的规定。对相贯焊接的钢管结构，不宜采用屈强比fy/fu大于0.8的钢材，可采用牌号为Q235、Q355的钢材；当有可靠依据时，可采用其他牌号的钢材。

2、结构用钢管，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、钢材厚度、成型方法和工作环境等因素合理选用钢材牌号、质量等级与性能指标，并在设计文件中注明。焊接钢管结构宜采用B级或B级以上等级的钢材。

3、结构用圆管和矩形管，可采用热轧、热扩无缝钢管，或采用辊压成型、冷弯成型、热弯成型的直缝焊接管，矩形管也可用钢板焊接成型。焊接可采用高频焊、自动焊或半自动焊以及手工焊，焊接材料应与母材匹配。

4、管桁架结构的铸钢节点用铸钢材料及连接材料应符合现行协会标准《铸钢节点应用技术规程》CACS235的规定。

（二）焊材

1、手工焊采用的焊条，应符合现行国家标准《碳钢焊条》GB/T5117或《低合金钢焊条》GB/T5118的规定。选择的焊条型号应与主体金属力学性能相匹配。对直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构，宜采用低氢型焊条。

2、自动或半自动焊接采用的焊丝及相应的焊剂应与主体金属力学性能相匹配。焊丝应符合现行国家标准《熔化焊用钢丝》GB/T14957或《气体保护焊用钢丝》GB/T14958的规定。

3、二氧化碳气体保护焊接用的焊丝，应符合现行国家标准《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》GB/T8110的规定。

4、当两种不同级别的钢材相焊接时，宜采用与主体金属强度较低一种钢材相适应的焊条或焊丝。

（三）钢管结构的紧固件应符合要求

1、普通螺栓应符合现行国家标准《六角头螺栓C级》GB/T5780和《六角头螺栓》GB/T5782的规定。

2、高强度螺栓符合现行国家标准《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副》GB/T3632、《钢结构用扭剪型高强螺栓连接副技术条件》GB/T3632、《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副技术条件》GB/T3633或《钢结构用高强度大六角头螺栓》GB/T1228，《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》GB/T1231的规定。高强度螺栓的预拉力和摩擦面抗滑移系数应按现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017选用。

3、锚栓可采用现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700中规定的Q235钢或《低合金高强度结构钢》GB/T1591中规定的Q345钢。