大跨度鋼結構管桁架設計

在大跨度鋼結構中，鋼結構的支點越分散，對于平面布局和空間組合的約束性就越強;反之，鋼結構的支承點越集中，其靈活性就越大。本文根據各種大跨度空間的鋼結構進行分析，并探討其鋼結構類型體系，以此拋磚引玉，給同行以啟發(fā)。

大跨度鋼結構設計

2 大跨度鋼結構主要結構形式

a.網殼結構

曲面形網格結構稱為網殼結構,有單層網殼和雙層網殼之分。網殼的用材主要有鋼網殼、木網殼、鋼筋混凝土網殼等。結構形式主要有球面網殼、雙曲面網殼、圓柱面網殼、雙曲拋物面網殼等。

網殼結構兼有桿系結構和薄殼結構的主要特性，桿件比較單一,受力比較合理;結構的剛度大、跨越能力大;可以用小型構件組裝成大型空間,小型構件和連接節(jié)點可以在工廠預制;安裝簡便,不需大型機具設備,綜合經濟指標較好;造型豐富多彩,不論是建筑平面還是空間曲面外形,都可根據創(chuàng)作要求任意選取。

b.網架結構

由多根桿件按照某種規(guī)律的幾何圖形通過節(jié)點連接起來的空間結構稱之為網格結構,其中雙層或多層平板形網格結構稱為網架結構或網架。它通常是采用鋼管或型鋼材料制作而成。主要形式包括：(1)平面桁架系組成的網架結構;(2) 四角錐體組成的網架結構;(3) 三角錐組成的網架結構;(4) 六角錐體組成的網架結構。

網架結構的主要特點是空間工作,傳力途徑簡捷;重量輕、剛度大、抗震性能好;施工安裝簡便;網架桿件和節(jié)點便于定型化、商品化、可在工廠中成批生產,有利于提高生產效率;網架的平面布置靈活,屋蓋平整,有利于吊頂、安裝管道和設備;網架的建筑造型輕巧、美觀、大方,便于建筑處理和裝飾。

c.膜結構

薄膜結構也稱為織物結構,是20 世紀中葉發(fā)展起來的一種新型大跨度空間結構形式。它以性能優(yōu)良的柔軟織物為材料,由膜內空氣壓力支承膜面,或利用柔性鋼索或剛性支承結構使膜產生一定的預張力,從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大空間的結構體系。主要結構形式有空氣支承膜結構、張拉式膜結構、骨架支承膜結構等。

膜結構主要特點是自重輕、跨度大;建筑造型自由豐富;施工方便;具有良好的經濟性和較高的安全性;透光性和自結性好;耐久性較差。

d.懸索結構

懸索結構是以能受拉的索作為基本承重構件,并將索按照一定規(guī)律布置所構成的一類結構體系,懸索屋蓋結構通常由懸索系統,屋面系統和支撐系統三個部分構成。結構形式主要包括：單向單層懸索結構、輻射式單層懸索結構、雙向單層懸索結構、單向雙層預應力懸索結構、輻射式預應力懸索結構、雙向雙層預應力懸索結構、預應力索網結構等。

懸索結構的受力特點是僅通過索的軸向拉伸來抵抗外荷載的作用,結構中不出現彎距和剪力效應,可充分利用鋼材的強度;懸索結構形式多樣,布置靈活,并能適應多種建筑平面;由于鋼索的自重很小,屋蓋結構較輕,安裝不需要大型起重設備,但懸索結構的分析設計理論與常規(guī)結構相比,比較復雜,限制了它的廣泛應用。

e.薄殼結構

建筑工程中的殼體結構多屬薄殼結構(學術上把滿足t/R≤1/20的殼體定義為薄殼)。薄殼結構按曲面形成可分為旋轉殼與移動殼;按建造材料分為鋼筋混凝土薄殼、磚薄殼、鋼薄殼和復合材料薄殼等。

殼體結構具有十分良好的承載性能,能以很小的厚度承受相當大的荷載。殼體結構的強度和剛度主要是利用了其幾何形狀的合理性,以材料直接受壓來代替彎曲內力,從而充分發(fā)揮材料的潛力。因此殼體結構是一種強度高、剛度大、材料省的即經濟又合理的結構形式。