钢管桁架结构在建筑中的应用

1、钢管桁架结构是钢管结构中的重要一种，它是桁架结构采用钢管材料构成的 一种结构形式，也称钢桁结构、管桁架和管结构。由于适应性比较强，近年来在 大跨空间结构中得到广泛应用。管桁结构的结构体系为平面或空间桁架，与一般桁架的区别在于连接节点的 方式不同：网架结构采用螺栓球或空心球节点。过去的屋架经常采用板型节点， 而管桁结构在节点处采用的是杆件直接焊接的相贯节点（或称管节点）。在相贯节 点处，只有在同一轴线上的两个主管贯通。其余杆件（即支管）通过端部相贯线加 工后，直接焊接在贯通杆件（即主管）的外表非贯通杆件在节点部位可能有一定间 隙（间隙型节点），也可能部分重叠（搭接型节点）。相贯线切割曾被视为是难

2、度较 高的制造工艺。因为交汇钢管的数量、角度、尺寸的不同使得相贯线形态各异， 而且坡口处理困难。但随着多维数控切割技术的发展。这些难点已被克服。目前 国内一些企业装备了这一技术，相贯节点管桁结构在大跨度建筑中得到前所未有 的应用。管桁架的分类。根据受力特性和杆件布置不同，可分为平面管桁结构和空间 管桁结构。平面管桁结构的上弦、下弦和腹杆都在同一平面内，结构平面外刚度 较差。一般需要通过侧向支撑保证结构的侧向稳定。在现有管桁结构的工程中， 多采用Warren桁架和Pratt桁架形式，Warren桁架一般是最经济的布置，与 Pratt桁架相比Warren桁架只有它一半数量的腹杆与节点，且腹杆下料长

3、度统 一，这样可极大地节约材料与加工工时。Vierendeel桁架主要应用于建筑功能 或使用功能不容许布置支撑斜杆时的情况，空间管桁结构通常为三角形截面，与 平面管桁结构相比，它能够具有大的跨度，且三角形桁架稳定性好，扭转刚度大 且外表美观。在不布置或不能布置面外支撑的场合，三角形桁架可提供较大跨度 撑构件，提高了侧向稳定性和扭转刚度。对于小跨度结构，可以不布置侧向支撑。连接件的截面形式。常用的杆件截面形式为圆形、矩形、方形等。接连接构 件的不同截面可分为以下几种桁架形式：CC型桁架：即弦杆和腹杆均为圆管 相贯的桁架结构；RR型桁架：即弦杆和腹杆均为方钢管或矩形管相贯的桁架 结构；Rc型桁架：

4、即矩形截面弦杆与圆形截面腹杆直接相贯焊接的桁架结构。管桁架的优点。随着大型公共建筑的发展，对结构的空间和跨度的要求越来 越高，空间钢管桁架以其良好的承载和稳定性能得到广泛应用。空间钢管桁架的 结构形式按照桁架的截面形式可分为三角形空间桁架、四边形空间桁架、多边形 空间桁架及变截面空间桁架等。钢管结构因其具有优美的外观、合理的受力特点 以及优越的经济性，在现代工业厂房、仓库、体育馆、展览馆、会场、航站楼、 车站及办公楼、商住楼、宾馆等建筑中得到广泛的应用。管桁架结构的研究现状及存在的问题。钢管结构的应用最早起始于英国，随 后在20世纪80年代人们对钢管结构设计有了较深的认识，并有了一些有关钢管

5、的正规出版物，如“CIDECTBook”。1985年后IIW又给出了焊接钢管连接的疲 劳设计，对其静载焊接连接设计方法进行了更新，出版了这一设计方法的第二版 (IIW1989)。新的设计方法得到国际上的广泛认可，被许多国际组织采用，如欧 洲规范Eurocode3、美国的AWS、以及CIDECT的设计指南等。桁架结构设计主要 是外形尺寸、构件尺寸及节点形式的设计。外形设计主要是桁架的总体布置、跨 度、高度、节间距离、桁架间距及腹杆的布置，应尽量减少连接数量I构件尺寸 的选择与节点形式相关联，应通过节点承载力计算以及构件强度及稳定性验算来 确定。国内外对于管桁架结构的研究，主要集中在管节点的分析。

6、因为节点的破 坏往往导致与之相连若干杆件的失效。从而使整个结构破坏。对管节点静力性能 的研究方法，主要有三类：试验、解析理论和数值分析(有限元方法)。试验研究：起初，人们只能通过试验来认识管节点的承载性能，验证设计方 案。20世纪60年代，利用钢模型进行了各种管节点的静载试验和疲劳试验。1974 年首次进行了空间管节点的模型试验，测试了 4个KK型管节点在轴力作用下的 承载力。1990年测试了轴力作用下KK型空间管节点。近年来，管节点在民用建 筑中的广泛应用，使管节点研究受到重视。沈祖炎等(1998)进行了 n个试件的K 型管节点的模型试验，检验了上海八万人体育馆悬挑主桁架的节点设计方案。经典

7、解析理论研究：由于管节点是由几个圆形钢管焊接而成的结构，相当于 一个空间柱壳结构，因此许多学者采用弹性圆柱壳理论来分析。由于管节点的边 界条件和几何形状复杂，给偏微分方程的求解带来困难，在大量简化假设基础上 的解析解与工程实际的差距较大。但这些研究加深了对管节点的了解程度，为以 后的研究打基础。有限元计算:近年来，随着计算机运算速度的不断加快以及编程语言的发展， 多运用有限元方法进行管节点的极限承载力计算。刘建平运用有限元软件 ANSYS，对圆管T、Y、K型节点承受轴向荷载的极限承载力作了计算。贺东哲运 用有限元软件ADINA，以及自主开发的前后处理程序，研究了 TT型圆管节点分 别在轴力、平面内弯矩和平面外弯矩的作用下的承载性能，并与已有公式进行了 比较。在此基础上，提出了 TT型圆管节点平面内弯矩承载力半经验公式。傅振 岐运用有限元方法分析了 K型间隙矩形管节点支管截面