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浙江AM8亚美钢管有限公司
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管結構的分類和特點

浏览次数:812日期:2019-11-20
隨著生產規模的擴大和人類文明的不斷進步,很多大空間、大跨度建築如體育館、展覽館、機場航站樓、地鐵站、大型產業廠房等不斷出現出來,顯然鋼筋混凝土結構、木結構、砌築結構等很難實現這類大跨度空間結構形式。由於鋼材產量的快速增加、國家政策導向和鋼結構設計 、科研、施工隊伍日益強大等諸多有益身分的影響,鋼管結構憑借其本身優越的性能,近年來其利用得到飛速發展,利用範圍幾乎涉及所有結構領域,包括房屋建築、橋梁、堤壩、海洋平台和塔桅結構等。 自然界中的很多例子顯示了圓管外形在受壓、受扭和多方向受彎下的出色的結構性能,人們正是從這些風中蘆葦、雨中翠竹中受到啟發,將管結構優越的結構性能與極具魅力的建築外形相結合形成鋼管結構。鋼管結構的最大優點是能將人們對建築物的功能要求、感觀要求和經濟效益要求完美地結合在一起。管結構的分類和特點1 鋼管結構的分類目前工程中使用的鋼管結構可按截麵外形、結構形式和建造方法進行分類 。按構件的截麵外形可將鋼管結構分為三大類 :即圓管結構(CHS)、方(矩)形管結構(RHS)和其他外形。由於外表和受力性能上的優越性,圓管結構和方管結構最為常見。按結構形式管結構可分為網架(網殼)、桁架、框架和鋼管混凝土結構 4種。而通常意義上,管結構是指采用圓管和方管作構件,管與管之間通過相貫焊接連接的結構。按建造方法來分,管結構可分為熱軋鋼管結構、冷軋鋼管結構和焊接鋼管結構。熱軋鋼管壁厚可以較大、建造本錢高 ,冷軋鋼管壁厚相對較薄 。2 圓管和方(矩)形鋼管結構的特點 :鋼管結構的特點,大致可回納如下:1) 圓管和方(矩)形截麵都具有雙軸對稱、截麵形心和剪心重合等特點;圓管和方管截麵,截麵慣性矩對各軸相同,作為受彎和受壓構件的上風突出。2)截麵閉合,抗扭剛度大 、板件局部穩定好。特別是圓管截麵,抵抗扭轉特別有效。3)外觀簡捷、平滑,杆件可直接焊接於同一點,可不用節點板,以節省鋼材。4)相比開口截麵而言,圓管和方(矩)形截麵具有表麵平整、無死角和外表麵積小等特點 ,有益於節省防腐和防火塗料 ,也便於除塵。5)鋼管截麵的風阻力係數小,當暴露在流體(如風、水流)中時有著明顯的優點。6)鋼管結構的內部空間可利用。鋼管內填充混凝土(鋼管混凝土結構)不僅能進步構件的承載力,而且還能延長構件的耐火極限(均勻可達2h);管內注水,可利用內部水循環進行防火;傳輸液體,如輸油管線,排雨水管等;管內還可以放預應力索,施加體內預應力。7)鋼管結構的材料單價較普通開口截麵形式的型鋼高。3 鋼管截麵與其他截麵的性能比較鋼管結構較其他結構的優越性,可從構件的截麵特性、受力性能、經濟效益等幾個方麵對比得出。表1是幾種常見鋼結構構件截麵和物理特性:H型鋼、工字鋼、方鋼管、圓鋼管,表1中各截麵的單位質量相近。從表1中的對比可以看出,開口截麵(H型鋼和工字鋼)的兩個主軸方向的慣性矩和回轉半徑、截麵抗彎模量相差較大,對於在主軸方向平麵內單向受彎比較有益,但不宜單獨作軸心受壓構件或斜彎曲(雙向彎曲)構件;而鋼管截麵的兩個主軸方向的慣性矩和回轉半徑、截麵抗彎模量相同,單一杆件的穩定性較好;雙軸對稱的圓、方(矩)形截麵構件的截麵形心和剪心重合 ,具有良好的抗扭特性;對於相同斷麵麵積的管材(圓鋼管、方(矩)形鋼管)和開口截麵型材(H型鋼、工字鋼) ,前者的外表麵積約為後者的0.6倍,這表麵鋼管構件需要的防火和防腐材料要比開口截麵型鋼節約大約 40%;方鋼管與圓鋼管的風阻體型係數也遠小於開口型鋼構件,適宜暴露在室外及流體中。方(矩)形鋼管與圓鋼管的性能也略有差異。在力學性能方麵,方鋼管的抗彎性能要好於圓鋼管,抗扭性能要略遜於圓鋼管。但方(矩)形截麵構件表麵平整,節點處的相貫線是直線,更便於建造安裝。 國內外利用狀況及設計標準1 國內外利用狀況鋼管結構起初用於海上或近海結構,如海洋平台結構。當時人們對焊接鋼管節點的性能了解甚少,直到1947年世界上第一個現代化的海洋平台在墨西哥海灣建成後,人們才真正熟悉到鋼管作為結構構件的優越性,從而促使人們開始探索鋼管結構的性能。而後,在將近半個多世紀裏,世界各國出現出很多造型獨特、構造美好、功能出色的鋼管結構,如德國Stuttgart機場候機大廳采用鋼管構件鑄鋼節點的樹形支承結構,具有造型獨特、簡捷明快的特點;日本大阪的 Kansai機場航站樓屋麵結構,采用了圓管截麵的曲線三角桁架;英國倫敦布什來恩宮,外露式的圓管截麵桁架把立麵荷載傳遞到立柱裏,管截麵內注進水用於防火,正好彌補了鋼結構建築耐火性差的弱點;還有加拿大多倫多Skydome的開合屋蓋、法國戴高樂機場的高速鐵路火車站等都是著名的鋼管結構建築。我國鋼管結構的發展要晚於西歐、北美、日本等國,但在比來十年,鋼管結構在我國也得到了快速發展。我國先後建成了一些大型的鋼管結構建築,如長春體育館、上海體育館、虹口體育館、廣州體育館、首都機場新航站樓、成都雙流機場新航站樓、廣州新白雲機場航站樓、沈陽桃仙機場、濟南遠牆國際機場等。其中 ,長春體育館是我國首次使用大截麵方鋼管的國內最大跨度的方鋼管網殼工程;廣州新白雲國際航站樓屋蓋(表2)是國內大型的圓管結構建築,它的指廊和高架連廊則采用了方管結構。這些鋼管結構的建成對管結構在我國的推廣利用起著非常積極的感化。 2 設計標準鋼管結構的利用起源於英國 ,在Sheffield大學對矩形管與圓管的焊接接頭進行試驗與理論研究後 ,Eastwood與Wood提出了非常首要的設計方法。第一個關於圓截麵桁架節點的初步設計建議是1951年由Jamm給出的,隨後在日本、美國和歐洲進行了若幹研究。1962年國際鋼管結構研究與發展委員會(CIDECT)成立,該組織將首要活動集中在對鋼管結構及其連接節點性能的研究和結構開發利用研究方麵,該組織的成立促進了世界各國對鋼管節點的研究。1969年10月美國石油協會頒發了第一個有關海洋平台的建議(API-RP-2A),1972年美國焊接協會將鋼管結構設計納進新的焊接結構規範中(AWS AI.I)。從20世紀70年代以後 ,鋼管結構的研究發展較快,很多研究成果已成功地利用於工程實踐中,相繼形成一些國際技術文件或規範,如:美國焊接學會焊接結構規範(AWS)、美國石油學會規範(API) 、CIDECT指南、日本建築學會規範(AIJ)、歐洲鋼結構設計規範(EUR)等。在國內,大連理工學院於1982~1983年研究了各國規範並篩選了309個節點數據,統計分析綜合評估了公式精度、離散度及適用範圍 ,以為日本規範與試驗符合較好且適用範圍廣,是以以日本規範為基礎,綜合了API、EUR及大連理工學院、同濟大學兩套計算結果,並結合材質焊接工藝 、製造水平 ,以使安全度與之相當的原則,形成了我國《鋼結構設計規範》(GBJ 17-88)第十章的有關平麵圓管結構的設計條文。此後,同濟大學、哈爾濱產業大學和國內很多科研院校對鋼管結構進行了更深進廣泛的研究和總結 ,在新版的《鋼結構設計規範》(GB50017-2003)中增加了空間圓管節點的強度計算公式,補充了方矩形管結構平麵管節點強度計算方法及有關的構造要求。鋼管結構設計指南可分為兩大種類。其中之一是IIW(國際焊接協會)的規範 ,它已被西歐各國、加拿大、澳大利亞等國所采用 。IIW的規範附加了易於理解的說明--CIDECT Design Guide ,已被翻譯成英語、德語、法語、西班牙語、中文等多種說話,在國際上獲得了廣泛的認可。另一種是API(美國石油協會)及AWS(美國焊接學會)的規範。這些規範中,對於方(矩)形鋼管的節點來說基本上是相同的,但是對於圓形鋼管節點設計公式則與上述IIW有所不同。美國規範在其提出建議當初沒有采用IIW和CIDECT等獲得的研究成果。其中首要是由於美國規範是以海洋平台結構為其首要對象,而海洋平台結構與建築結構相比在管件尺寸、徑厚比範圍、疲憊特性等方麵有很大的差異。管節點是鋼管結構中最關鍵的題目,包括管節點局部應力集中、失效機製、不同形式支管束縛、疲憊壽命、節點加強措施等。美國焊接學會(AWS)、石油學會(API)規範公式是建立在衝剪模型基礎上的,而日本建築學會規範(AIJ)公式是建立在極限強度法基礎上的。比較結果表明,日本建築學會規範(AIJ)與我國規範的試驗值相差較小,AWS精度較差但離散度小,安全度大,由於AWS首要用於海洋平台結構,以機械疲憊強度為設計標準。從大量試驗獲知,支管受拉時局部變形承載力比支管受壓時大。日本建築學會規範(AIJ)和我國規範將節點拉、壓兩種承載方式分開是公道的,而AWS把拉壓同一,對於受拉節點偏於守舊。我國規範對搭接型節點沒有專門的公式,僅規定g < 0(g為腹杆之間的間隙)時即按g=0時計算,如許就不能充分體現搭接節點承載力的進步。&n1頁