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钢结构直缝钢管发展历程与实际应用

钢结构直缝钢管发展历程与实际应用

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【摘要】:
钢管结构起初用于海上或近海结构,如海洋平台结构。当时人们对焊接钢管节点的性能了解甚少,直到1947年世界上第一个现代化的海洋平台在墨西哥海湾建成后,人们才真正认识到钢管作为结构构件的优越性,从而促使人们开始探索钢管结构的性能。
钢管结构起初用于海上或近海结构,如海洋平台结构。当时人们对焊接钢管节点的性能了解甚少,直到1947年世界上第一个现代化的海洋平台在墨西哥海湾建成后,人们才真正认识到钢管作为结构构件的优越性,从而促使人们开始探索钢管结构的性能。而后,在将近半个多世纪里,世界各国涌现出许多造型独特、构造优美、功能卓越的钢管结构,如德国Stuttgart机场候机大厅采用钢管构件铸钢节点的树形支承结构,具有造型独特、简捷明快的特点;日本大阪的Kansai机场航站楼屋面结构,采用了圆管截面的曲线三角桁架;英国伦敦布什来恩宫,外露式的圆管截面桁架把立面荷载传递到立柱里,管截面内注入水用于防火,正好弥补了钢结构建筑耐火性差的弱点;还有加拿大多伦多Skydome的开合屋盖、法国戴高乐机场的高速铁路火车站等都是著名的钢管结构建筑。
 
钢结构直缝钢管的发展要晚于西欧、北美、日本等国,但在最近十年,钢管结构在我国也得到了飞速发展。特别是以鸟巢为代表的奥运场馆落成,不仅为2008年奥运会树立一座独特的历史性的标志性建筑,而且在世界建筑发展史上也具有开创性意义,为21世纪的中国和世界建筑发展提供历史见证,该工程首次采用低合金高强钢Q460,大大节省了钢材用量。除此以外,我国先后建成了一些大型的钢管结构建筑,如国家大剧院、长春体育馆、上海体育馆、虹口体育馆、广州体育馆、首都机场新航站楼、成都双流机场新航站楼、广州新白云机场航站楼、沈阳桃仙机场、济南遥墙国际机场等,其中,国家大剧院大厅立柱首次采用耐火耐候埋弧焊钢管,钢管由珠江钢管公司提供,可在600℃以上的温度下,不变形不软化,在室外不作任何防腐操施的情况下,可长期不受腐蚀;长春体育馆是我国首次使用大截面方钢管的国内最大跨度的方钢管网壳工程;广州新白云国际航站楼屋盖是国内大型的圆管结构建筑,它的指廊和高架连廊则采用了方管结构。这些钢管结构的建成对管结构在我国的推广应用起着非常积极的作用。
 
直缝钢管钢结构作为新型的结构形式,近几年来在世界各国得到了迅速发展。最近5年,欧洲的钢管用量增加了25%。来自北美钢铁研究所的统计数字证实,随着美国钢铁工业以底层商业建筑市场为开发目标,钢管结构的需求也呈上升之势,1999年的交货量为225万t,有替代露天结构材料的趋势。据美国LTV钢铁公司估计,在最近5年,美国结构管材的消耗量每年以5%~10%的速度增长。日本是一个多地震国家,建筑业采用H型钢结构比较多,但最近几年也在大力开发和应用直缝钢管钢结构,且规格大型化,断面复杂化,现已生产边长为700mm,壁厚16~32mm的大型钢管结构,用于建筑结构柱。
 
近年来,随着我国钢铁产量的不断增长,钢结构以其自身的优势,在建筑中所占的比例越来越大,钢管结构也取得较大的突破。钢管结构中的管桁架结构以它独特的优势受到人们的青睐。管桁架整体性能好,扭转刚度大且外表美观,制作、安装、翻身、起吊都比较容易;制作的钢管屋架,具有结构轻、刚度好、节省钢材,并能充分发挥材料强度等优点,尤其是在由长细比控制的压杆及支撑系统中采用更为经济。目前采用这种结构的建筑物基本属于公共建筑,我国现已采用这种结构的建筑物有10多个,其跨度为50~90m。该结构具有造型美观(可建成平板形、圆拱形、任意曲线形)、制作安装方便、结构稳定性好、屋盖刚度大、经济效果好等特点。与网架结构相比,管桁架结构省去下弦纵向杆件和网架的球节点,可满足各种不同建筑形式的要求,尤其是构筑圆拱和任意曲线形状比网架结构更有优势。从网架结构的受力特点可以看出,当其边长比大于1.5时,其受力特点从双向变为单向受力,因此对于大多数矩形平面建筑来说,主要是单向受力结构。钢管桁架结构类似于平面钢桁架,属于单向受力结构,但桁架的上弦由于增大宽度后,使原平面桁架起控制作用的上弦杆件的稳定性得到了提高,其各向稳定性相同,节省材料用量。钢管桁架结构是在网架结构的基础上发展起来的,与网架结构相比具有其独特的优越性和实用性,结构用钢量也较经济。目前这种结构主要应用在一些大型公共建筑中,在工业厂房柱及屋架、轻钢结构和住宅钢结构中的应用潜力也很大。
 
我国钢结构直缝钢管的发展要晚于西欧、北美、日本等国,但在最近十年,钢管结构在我国也得到了飞速发展。特别是以鸟巢为代表的奥运场馆落成,不仅为2008年奥运会树立一座独特的历史性的标志性建筑,而且在世界建筑发展史上也具有开创性意义,为21世纪的中国和世界建筑发展提供历史见证,该工程首次采用低合金高强钢Q460,大大节省了钢材用量。除此以外,我国先后建成了一些大型的钢管结构建筑,如国家大剧院、长春体育馆、上海体育馆、虹口体育馆、广州体育馆、首都机场新航站楼、成都双流机场新航站楼、广州新白云机场航站楼、沈阳桃仙机场、济南遥墙国际机场等,其中,国家大剧院大厅立柱首次采用耐火耐候埋弧焊钢管,钢管由珠江钢管公司提供,可在600℃以上的温度下,不变形不软化,在室外不作任何防腐操施的情况下,可长期不受腐蚀;长春体育馆是我国首次使用大截面方钢管的国内最大跨度的方钢管网壳工程;广州新白云国际航站楼屋盖(表2)是国内大型的圆管结构建筑,它的指廊和高架连廊则采用了方管结构。这些钢管结构的建成对管结构在我国的推广应用起着非常积极的作用。
 
钢管结构作为新型的结构形式,近几年来在世界各国得到了迅速发展。最近5年,欧洲的钢管用量增加了25%。来自北美钢铁研究所的统计数字证实,随着美国钢铁工业以底层商业建筑市场为开发目标,钢管结构的需求也呈上升之势,1999年的交货量为225万t,有替代露天结构材料的趋势。据美国LTV钢铁公司估计,在最近5年,美国结构管材的消耗量每年以5%~10%的速度增长。日本是一个多地震国家,建筑业采用H型钢结构比较多,但最近几年也在大力开发和应用钢管结构,且规格大型化,断面复杂化,现已生产边长为700mm,壁厚16~32mm的大型钢管结构,用于建筑结构柱。
 
近年来,随着我国钢铁产量的不断增长,钢结构以其自身的优势,在建筑中所占的比例越来越大,钢管结构也取得较大的突破。钢管结构中的管桁架结构以它独特的优势受到人们的青睐。管桁架整体性能好,扭转刚度大且外表美观,制作、安装、翻身、起吊都比较容易;制作的钢管屋架,具有结构轻、刚度好、节省钢材,并能充分发挥材料强度等优点,尤其是在由长细比控制的压杆及支撑系统中采用更为经济。目前采用这种结构的建筑物基本属于公共建筑,我国现已采用这种结构的建筑物有10多个,其跨度为50~90m。该结构具有造型美观(可建成平板形、圆拱形、任意曲线形)、制作安装方便、结构稳定性好、屋盖刚度大、经济效果好等特点。与网架结构相比,管桁架结构省去下弦纵向杆件和网架的球节点,可满足各种不同建筑形式的要求,尤其是构筑圆拱和任意曲线形状比网架结构更有优势。从网架结构的受力特点可以看出,当其边长比大于1.5时,其受力特点从双向变为单向受力,因此对于大多数矩形平面建筑来说,主要是单向受力结构。钢管桁架结构类似于平面钢桁架,属于单向受力结构,但桁架的上弦由于增大宽度后,使原平面桁架起控制作用的上弦杆件的稳定性得到了提高,其各向稳定性相同,节省材料用量。钢管桁架结构是在网架结构的基础上发展起来的,与网架结构相比具有其独特的优越性和实用性,结构用钢量也较经济。目前这种结构主要应用在一些大型公共建筑中,在工业厂房柱及屋架、轻钢结构和住宅钢结构中的应用潜力也很大。