大跨度钢结构空间管桁架设计探析

　　　摘?要 当今的钢结构建筑屋盖体系，特别是大型的场馆建筑屋盖体系，大部分是采用大跨度钢结构管桁架结构，（钢结构设计培训）这就结构是建筑业重要的发展方向之一。大跨度钢结构管桁架结构线条流畅、安全实用、外形丰富。本文旨在通过对这种设计结构进行简要的分析，以达到进一步认识钢结构管桁架技术的目的。

　　关键词 大跨度；钢结构；空间管桁架

　　钢结构管桁架技术已经在国外流行多年，我国建筑业在经历着快速发展的同时，对建筑的屋盖体系逐步重视。在这个基础上，钢结构管桁架技术得到了深入的研究发展和运用。下面我们就对这种设计结构进行探究。

　　　1 管桁架结构的初步认识

　　随着技术的发展，钢管结构在当今建筑的使用范围上，已经从大型建筑工程范围上扩展到了工业建筑以及民用建筑范围上。例如上海、长春的体育场，成都的机场航站楼、哈尔滨的滑雪场、扬州体育馆、上海洋子港大桥、广州国际会议展览中心以及北京奥运会老山自行车馆等等，在屋盖体系上都选择了钢结构空间管桁架的设计结构。

　　管桁架依据杆架布置的不同以及受力特征的不同，一般分为平面、空间两种管桁结构。顾名思义，平面管桁结构就是上、下弦以及腹杆全部处于同一平面。这种结构的外部刚度较差。空间管桁结构的上、下弦同腹杆通常处在三角形截面上，这种结构的跨度大，稳定性高，外观通常也比较富有美感。在外支撑不能布置的时候，采用稳定性高的三角形桁架来构建一个跨度大的空间。这种结构方式减少了支撑够件的数量，所以比较经济。

　　对于管桁架的连接件杆件截面的种类，一般常用的为圆形、正方以及长方形，选择不同图形的截面相应的桁架类型也有所不同：如果连接件截面是圆形，就选择C-C型桁架；如果连接件截面是正方形，就选择R-R型桁架；如果连接件截面是长方形，就选择R-C型桁架。

　　弦杆的类型决定了桁架的外形，基本上可以分为直线型桁架和曲线型桁架两种。这其中，曲线型桁架可以更好的体现建筑的美观程度，也被最常用于施工过程中。为了在最小的成本支出下获得最佳的建筑效果，在曲线型管桁结构设计过程中，杆件仍然使用直杆形式，将折线近似来替代曲线。

　　钢管桁架结构的外形优美，经济成本低，受力较其它材料合理，正是这些相对的优势使得钢结构管桁架在建筑中得到了最普遍的使用。大量的建筑工程实践可以证明，钢管结构的运用一方面满足了建筑的基本原则，另一方面也满足了建筑的基本要求，并且与最新的设计理念吻合。

　　2 空间管桁架结构的发展现状

　　现代很多大型的建筑均采用钢结构进行构造的，而且伴随着建筑业的不断深化与发展，建筑理念也发生了翻天覆地的变化与创新，在钢结构的应用和实践上，出现了许多类似跨度大、空间形状相对复杂多变的钢结构的建筑。这些新型钢结构建筑的设计，同时也对钢构件的优化与创新提供了基础。近些年我国出现的，比较著名的类似于水立方、国家大剧院以及中央电视台新办公楼等等大型的体育场馆、文化场馆、展览馆等无一例的使用了大跨度、复杂空间钢结构，来充当建筑自身的屋盖结构体系。

　　如今，建筑水平的科技含金量已经成为了衡量一个国家建筑水平的标准，其中，空间结构技术发展的好坏决定了建筑水平的科技含量。我国的建筑业从未停止过对于大跨度空间结构研究方面的脚步，相应的施工技术也有了质的飞跃。

　　大跨度空间管桁架在国家重要的场馆建设时，发挥了不可替代的作用。但是，由于在跨度、桁架截面以及规格上的不同，造成建筑相互间壁厚对接、K型节点等方面上或多或少的存在些差异。

　　3 空间管桁架结构问题的解决

　　3.1 主管不等壁厚对接问题及办法

　　大跨度变截面的主管对接口处，是不等壁厚对接问题主常出现的位置。设计单位往往要求所有的主管对接口，在工厂内实行打内坡口并且要求加折板已充当衬垫。但是，大量的内坡口构件应用到施工中会导致工期的延长、难度的增大。而且，由于国内的无缝管制造技术还与国外有一定的差距，必须要采用卷管制作的方法，这就造成了直缝钢管的圆度差异问题。

　　按照相关的规定，直缝钢管的外径偏差率不能大于或小于0.75%，弯曲度偏差不能大于3.0mm/m。焊接两个构件时，焊件的宽度与厚度不等同，其中，如果焊件的厚度在一侧上存在着4mm以上的差距，那么就要分别在宽度、厚度方向，沿着一侧或者两侧做成斜角，这个斜角的坡度应该控制在小于或等于1：2.5的范围内。此外，可以通过沿着焊件焊接的缝隙的垂直方向添加插筋板，还可以在焊缝位置加上箍圈对焊接构件进行固定。

　　3.2 K型搭接节点处不可视焊接问题及办法

　　搭接节点在节点构造上一共可分为间隙、部分搭接以及完全搭接，这些不同结构的节点在设计与施工的过程中，如何搭接就成了最为关键的问题，也会增加内隐藏焊缝的几率。而相关规定并未对这方面的问题有具体的规定。

　　通常情况下，主管与腹杆的直径比要控制在大于等于0.2、小于等于1的范围内，腹杆之间的搭接量要控制在大于等于25%的范围内。在节点的选择上，要多选择间隙节点替代部分搭接节点，因为间隙节点比部分搭接节点更容易被组装。对于部分搭接节点的隐藏部分一般是不焊接的，只有出现腹杆与主管之间的不平衡系数大于1.5的情况，那么部分搭接节点就必须要进行焊接。搭接节点的选择，要注意搭接管与被搭接管至少要将25%的宽度叠合在一起，最佳的选择是有一般的宽度叠合。另外，对于部分搭接的K型节点，如果主管垂直方向的内力与腹管内力之间存在低于五分之一的差距，那么被搭接杆件的趾部是不需要进行焊接的。

　　除此之外，搭接节点构件中，圆管外层直径同构件壁的厚度之间的比值不能大于100。K型节点构件的搭接率应该被控制在大于等于25%、小于等于100%的范围内。如果腹杆出现厚度不同的情况，那么在焊接时，要在厚壁管上方搭薄壁管。综上所述，空间管桁架设计时，不只需要考虑杆件以及杆件节点承受力，节点的构造也是很重要的环节，节点的结构设计可以有效地将各个构件联系起来，对于整个建筑设计起到承上启下的关键作用。

　　3.3 空间管桁架施工的步骤

　　“先点焊，后全焊”是管桁架施工的主要程序，在桁架施工中如果有搭接节点存在，就一定要事先明确需要焊接的搭接部位，这也侧面要求施工过程中要对各个构件安装的先后进行有效确认，以防因为构件安装顺序的颠倒导致建筑安全隐患。空间管桁架的安装步骤通常是：主管先行安装，接着安装只管，每安装一个只管后，对直管趾部进行焊接，最后进行支管与支管间的焊缝焊接。

　　3.4 如何进行相贯口补块

　　一个建筑工程的施工中，从设计到施工整个过程不可能完美，或多或少都会出现一些不足或者误差，特别是在施工过程中人为的失误会加大这些误差出现的几率。这些失误往往会造成相贯口出现缝隙过大问题，需要及时有效地进行查缺补漏。

　　1）如果桁架同主弦管相贯口间隙长度大于8mm，那么解决方法之一就是彻底替换相贯口，方法之二就是对相贯口周围部分结构进行切割，切割的要求是长椭圆形，长度要大于或者是等于500mm，针对切割的部分进行替换，在替换中应该打坡口焊接。

　　2）支管相贯口间隙过大，要对支管相贯口的局部构件补块，补块要求是长椭圆形，长度要大于或者是等于300mm，对于焊接的要求同样是坡口焊接。

　　4 总结

　　钢结构在建筑领域的作用日趋重要，因为钢结构的自身重量较小而且强度较高，可塑性和柔韧性都较其它材料强，加之钢结构无法比拟的抗震性能，是之成为公认的具有良好性能的结构。钢结构也被应用到了空间结构体系中，尤其是跨度较大，标高较高的大型场馆，空间钢结构管桁架设计做为其屋盖结构发挥着很多的优点，满足了场馆大跨度的要求，而且符合建筑设计的美观实用、经济安全的基本原则。这一设计结构在未来会被更多地运用到实际建筑中去。