秦 文，陳小才

（太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024）

大跨度空間結構是衡量一個國家建筑科技水平的重要標準，也是一個國家文明發(fā)展程度的象征，世界各國都十分重視大跨度空間結構理論和技術研究。近10年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術的不斷進步，形態(tài)各異的大跨度空間鋼結構在體育場館、會展中心、影劇院、大型商場、機場車站等建筑中得到了廣泛的應用。大跨度空間鋼結構相應進入了一個蓬勃發(fā)展的時期?？臻g鋼管桁架結構作為大跨空間結構的一個分支，廣泛應用到各大工程中。

1 鋼管桁架結構的概述

鋼管桁架結構，簡單來說就是指由鋼管制成的桁架結構體系，因此又稱為管桁架或管結構。主要是利用鋼管的優(yōu)越受力性能和美觀的外部造型構成獨特的結構體系，滿足鋼結構的最新設計概念。

鋼管截面各向等強度，抗扭剛度大；受彎無弱軸，承載能力高；圓形截面繞流條件和視覺效果好；端頭封閉后抗腐蝕性能好。此外，鋼管組成的結構輕巧美觀，而且用鋼量比型鋼組成的結構省。鋼管外表面面積往往比同樣承載性能的開口截面鋼構件要小，這樣可以減少涂漆，降低防火保護費用，在清潔要求較高的場合，像化工廠或食品加工廠的設備，鋼管結構較容易除塵，且沒有容易積聚灰塵的地方。因此，鋼管結構不僅在海洋工程、橋梁工程、塔桅工程中都得到了廣泛的應用，在工業(yè)及民用建筑中的應用也日益廣泛。

鋼管桁架結構在節(jié)點處采用桿件直接焊接的相貫節(jié)點。在相貫節(jié)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）的外表面；非貫通桿件在節(jié)點部位可能有一定間隙（間隙型節(jié)點），也可能部分重疊（搭接型節(jié)點）。相貫線切割曾被視為難度較高的制造工藝，因為交匯鋼管的數(shù)量、角度、尺寸的不同使得相關線形態(tài)各異，而且坡口處理困難，但隨著多維數(shù)控切割技術的發(fā)展，這些難點已被克服。相貫節(jié)點鋼管桁架結構在大跨度建筑中得到了前所未有的應用。

2 鋼管桁架結構的發(fā)展現(xiàn)狀

國際《空間結構》雜志主編馬考夫斯基（Z.S.Makowski）曾有過以下表述：30年前“空間結構還被認為是一種有興趣但仍屬陌生的非傳統(tǒng)結構，然而今天已經(jīng)被全世界廣泛接受”?？梢赃@樣說，大跨空間結構在近20年來發(fā)展迅速、方興未艾，而大型公共建筑一直是空間鋼結構的主要生長點。

空間鋼結構的技術水平是一個國家土木建筑業(yè)水平的重要衡量標準，也是一個國家綜合國力的體現(xiàn)。因此，世界各國對空間鋼結構技術的發(fā)展一直給予高度的重視。現(xiàn)分別結合國內外一些典型工程，以此來回顧空間鋼結構的發(fā)展歷程。

2.1 國外鋼管桁架結構的發(fā)展

世界上第一個現(xiàn)代化的海洋平臺于1947年在墨西哥海灣建成，當時工程師對焊接鋼管節(jié)點的性能幾乎一無所知，然而正是第一個海洋平臺的建成，人們才開始認識到鋼管作為結構構件的優(yōu)越性。1970年英國Sheffield大學的Easttwood與wood提出了非常重要的鋼管結構設計方法。1971年Stelco公司出版了世界上第一本鋼管連接設計手冊，1981年該公司又出版了此手冊的第二版；20世紀70年代末80年代初國際管結構和研究會（CIDECT）也開始了大量的研究工作；隨后在1981年國際焊接協(xié)會（IIW）發(fā)表了一套新的極限狀態(tài)設計方法，并于1982年對該方法作了修正，這些方法被公認為是比較合理的鋼管結構設計方法。隨后在20世紀80年代學者們對鋼管結構的設計有了較深的認識，并有了一些關于鋼管的正規(guī)出版物，如，CIDECT Book；1985年后IIW又給出了焊接鋼管連接的疲勞設計，更新了其靜載焊接連接設計方法，出版了這一設計方法的第二版（IIW 1989），新的設計方法得到國際上的廣泛認可，被許多國際組織采用。近年來國外空間鋼桁架結構的部分工程見表1。

表1 近年來國外空間鋼桁架結構的工程信息

2.2 國內鋼管桁架結構的發(fā)展

我國鋼桁架結構的基礎比較薄弱，但隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和綜合國力的顯著提高、工程實踐數(shù)量的增多，我國空間鋼桁架結構的技術水平也取得了長足的進步，尤其是2008年奧運會主場館鳥巢的落成，為國內鋼管桁架結構的發(fā)展樹立了新的里程碑。以藍天、張毅剛為代表的一些學者進行了較為系統(tǒng)的桁架動力性能研究，并在研究的基礎上提出了較為實用、簡便的地震作用設計方法，這對桁架結構的常規(guī)抗震設計提供了重要的參考。近年來我國國內空間鋼桁架結構的部分工程見表2。

表2 近年來國內空間鋼桁架結構的工程信息

總體來說，與國際先進水平相比較，我國空間鋼管桁架結構的發(fā)展仍比較滯后，主要表現(xiàn)在結構選型較拘謹，很少有大膽創(chuàng)新之作，在某些新穎結構形式上還處于艱難的起步階段；而且我國還沒有專門的關于鋼管桁架結構的設計規(guī)范，相應可參考的設計資料也較少，這給此類結構形式的應用帶來了很大的困難。但近20年來，隨著1982年我國空間結構學術團體——空間結構委員會的成立，鋼管結構在我國得到了極大發(fā)展。伴隨著我國改革開放取得的巨大成就及北京奧運會和上海世博會的成功舉辦，鋼管結構的應用前景也越來越廣闊。面對未來新的挑戰(zhàn)，作為專業(yè)人員需要努力使其躍上一個新的臺階，完善我國鋼管桁架結構的發(fā)展。

3 結束語

空間鋼管桁架結構以其獨特的造型優(yōu)勢在越來越多的工程中得以應用。但相對于網(wǎng)格結構中的網(wǎng)殼結構及網(wǎng)架結構，目前關于空間鋼管桁架結構的研究還相對匱乏，沒有形成系統(tǒng)性的方法。空間鋼管桁架結構的發(fā)展空間還很廣泛，有待學者們進行更深層次的研究。