本頁關鍵詞：鋼管
近年來，鋼管結構不僅在海洋工程、橋梁工程中得到了廣泛應用，而且在工業及民用建筑中的應用日益廣泛，鋼管結構在我國建筑結構中的應用也越來越多，如寶鋼三期工程中采用方管桁架，吉林滑冰練習館、哈爾濱冰雪展覽館、上海“東方明珠”電視塔和長春南嶺萬人體育館均采用方鋼管作為主要結構構件。在公共建筑領域，鋼管結構中獨特的結構形式層出不窮，如悉尼水上運動中心，美國迦登格羅芙水晶教堂；單層大空間建筑領域，除了在超級市場、貨棧和倉庫中繼續廣泛應用外，還出現了一些超大型結構，如新加坡章楦機場機庫，大阪國際機場候機廳；另外還有輕型大跨結構，如人行天橋和起重機結構；其他特殊用途的結構，如天線桅桿和航天發射架等。
2、鋼管桁架結構的形式及特點
鋼管桁架結構是鋼管結構中的重要一種，它是桁架結構采用鋼管材料構成的一種結構形式，也稱鋼桁結構、管桁架和管結構等。由于適應性比較強，近年來在大跨空間結構中得到了廣泛應用。管桁結構的結構體系為平面或空間桁架，與一般桁架的區別在于連接節點的方式不同：網架結構采用螺栓球或空心球節點。過去的屋架經常采用板型節點，而管桁結構在節點處采用的是桿件直接焊接的相貫節點（或稱管節點）。在相貫節點處，只有在同一軸線上的兩個主管貫通。其余桿件（即支管）通過端部相貫線加工后，直接焊接在貫通桿件（即主管）的外表非貫通桿件在節點部位可能有一定間隙（間隙型節點），也可能部分重疊（搭接型節點）。相貫線切割曾被視為是難度較高的制造工藝。因為交匯鋼管的數量、角度、尺寸的不同使得相貫線形態各異，而且坡口處理困難。但隨著多維數控切割技術的發展。這些難點已被克服。目前國內的一些企業裝備了這一技術，相貫節點管桁結構在大跨度建筑中得到了前所未有的應用。
?。?）管桁架的分類。根據受力特性和桿件布置不同，可分為平面管桁結構和空間管桁結構。平面管桁結構的上弦、下弦和腹桿都在同一平面內，結構平面外剛度較差。一般需要通過側向支撐保證結構的側向穩定。在現有管桁結構的工程中，多采用Warren桁架和Pratt桁架形式，Warren桁架一般是最經濟的布置，與Pratt桁架相比Warren桁架只有它一半數量的腹桿與節點，且腹桿下料長度統一，這樣可極大地節約材料與加工工時。Vierendeel桁架主要應用于建筑功能或使用功能不容許布置支撐斜桿時的情況，空間管桁結構通常為三角形截面，與平面管桁結構相比，它能夠具有大的跨度，且三角形桁架穩定性好，扭轉剛度大且外表美觀。在不布置或不能布置面外支撐的場合，三角形桁架可提供較大跨度空間。一組三角形桁架類似于一品空間剛架結構，且更為經濟?？梢詼p少側向支撐構件，提高了側向穩定性和扭轉剛度。對于小跨度結構，可以不布置側向支撐。
?。?）連接件的截面形式。常用的桿件截面形式為圓形、矩形、方形等。接連接構件的不同截面可分為以下幾種桁架形式：C—C型桁架：即弦桿和腹桿均為圓管相貫的桁架結構；R—R型桁架：即弦桿和腹桿均為方鋼管或矩形管相貫的桁架結構；R—c型桁架：即矩形截面弦桿與圓形截面腹桿直接相貫焊接的桁架結構。
?。?）管桁架的優點。隨著大型公共建筑的發展，對結構的空間和跨度的要求越來越高，空間鋼管桁架以其良好的承載和穩定性能得到了廣泛的應用?？臻g鋼管桁架的結構形式按照桁架的截面形式可分為三角形空間桁架、四邊形空間桁架、多邊形空間桁架及變截面空間桁架等。鋼管結構因其具有優美的外觀、合理的受力特點以及優越的經濟性，在現代工業廠房、倉庫、體育館、展覽館、會場、航站樓、車站及辦公樓、商住樓、賓館等建筑中得到了廣泛的應用。
3、管桁架結構的研究現狀及存在的問題
鋼管結構的應用最早起始于英國，隨后在20世紀80年代人們對鋼管結構設計有了較深的認識，并有了一些有關鋼管的正規出版物，如“CIDECTBook'‘；1985年后IIW又給出了焊接鋼管連接的疲勞設計，對其靜載焊接連接設計方法進行了更新，出版了這一設計方法的第二版（IIW1989），新的設計方法得到了國際上的廣泛認可，被許多國際組織采用，如歐洲規范Eurocode3、美國的AWS、以及CIDECT的設計指南等。桁架結構設計主要是外形尺寸、構件尺寸及節點形式的設計。外形設計主要是桁架的總體布置、跨度、高度、節間距離、桁架間距及腹桿的布置，應盡量減少連接數量I構件尺寸的選擇與節點形式相關聯，應通過節點承載力計算以及構件強度及穩定性驗算來確定。國內外對于管桁架結構的研究，主要集中在管節點的分析。因為節點的破壞往往導致與之相連若干桿件的失效。從而使整個結構破壞。對管節點靜力性能的研究方法，主要有三類：試驗、解析理論和數值分析（有限元方法）。
?。?）試驗研究：起初，人們只能通過試驗來認識管節點的承載性能，驗證設計方案。20世紀60年代，利用鋼模型進行了各種管節點的靜載試驗和疲勞試驗。1974年首次進行了空間管節點的模型試驗，測試了4個KK型管節點在軸力作用下的承載力。1990年測試了軸力作用下KK型空間管節點。近年來，管節點在民用建筑中的廣泛應用，使管節點研究受到重視。沈祖炎等（1998）進行了n個試件的K型管節點的模型試驗，檢驗了上海八萬人體育館懸挑主桁架的節點設計方案。
?。?）經典解析理論研究：由于管節點是由幾個圓形鋼管焊接而成的結構，相當于一個空間柱殼結構，因此許多學者采用彈性圓柱殼理論來分析。由于管節點的邊界條件和幾何形狀復雜，給偏微分方程的求解帶來困難，在大量簡化假設基礎上的解析解與工程實際的差距較大。但這些研究加深了對管節點的了解程度，為以后的研究打基礎。
?。?）有限元計算：近年來，隨著計算機運算速度的不斷加快以及編程語言的發展，多運用有限元方法進行管節點的極限承載力計算。劉建平運用有限元軟件ANSYS，對圓管T、Y、K型節點承受軸向荷載的極限承載力作了計算。賀東哲運用有限元軟件ADINA，以及自主開發的前后處理程序，研究了TT型圓管節點分別在軸力、平面內彎矩和平面外彎矩的作用下的承載性能，并與已有公式進行了比較。在此基礎上，提出了TT型圓管節點平面內彎矩承載力半經驗公式。傅振岐運用有限元方法分析了K型間隙矩形管節點支管截面的應力分布、節點變形及節點參數對節點強度的影響，最后給出了節點極限承載力公式。有限元分析中一般采用VnoMISeS屈服準則，并假定等向強化。近年來用連續介質損傷力學方法模擬裂縫的形成和擴展，并建立了相應斷裂準則。 |
