大跨度16mn鋼管桁架  空間16mn鋼管桁架結構體系是大跨空間結構中的一個重要成員。鄭州大學新校區體育館由三組環向桁架、三組徑向桁架和三組撐桿為主要構件組成，外環、外部徑向桁架與中環構成結構的主要受力骨架，通過封閉外環的設計，使其形成一個受拉的環箍，限制了外部徑向桁架滑動支座端的徑向位移，從而減小了整個結構的豎向撓度，在此滿足規范要求的同時，使結構用鋼量達到最佳經濟指標。該屋蓋平面的水平投影為軸對稱的花瓣形，在半徑約7m和15m及外圍處設置三道封閉的環桁架，沿徑向設置24道空間桁架，并以環桁架為分界沿圓周方向錯開布置，徑向桁架被劃分為外、中、內三部分。整個結構外觀簡潔，輕逸，受力合理，傳力直觀，整體性能好。對它進行探索有助于了解結構性能，指導設計施工，并為類似結構的應用提供依據。        1 管桁架結構概述         近年來，16mn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，16mn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16mn鋼管作為主要結構構件，廣州體育館屋蓋采用了方16mn鋼管和圓16mn鋼管，上海虹口體育場采用圓16mn鋼管作為屋面承力體系，成都雙流機場屋蓋采用了圓16mn鋼管作為主要受力構件。在公共建筑領域，16mn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。2001年建成的建筑面積7250的北京植物園展覽溫室是國內首次采用相貫節點的曲線16mn鋼管桁架結構。鋼結構用材為16Mn，16mn鋼管最大規格為299mmx12mm，鋼結構總噸位720t。上海體育館的膜結構屋蓋主要由16mn鋼管相貫而成的32榀桁架、環梁組成，呈南北對稱的馬鞍形狀，最大跨度288.4m，標高31.74-70.54m，主桁架最大16mn鋼管直徑508mm，采用直接焊接K型節點。最長的懸挑梁74.162m，材料采用英鋼50D。南京國際展覽中心的二層展廳是一個長243m、寬75m的無柱大空間，屋面呈弧形，南北兩端主入口各有15m懸挑，西側又有14m懸挑。采用的是16mn鋼管拱架、檁架的結構方案。        2 16mn鋼管桁架結構的形式及特點         2.1 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Prat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榀空間剛架結構，且更為經濟。可以減少側向支撐構件，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。         2.2 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，按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16mn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。        2.3 桁架的外形         從桁架外形（即從弦桿類型來分）方面可分為：直線型與曲線型管桁結構。隨著社會對美學要求的不斷提高，為了滿足空間造型的多樣性，管桁結構多做成各種曲線形狀，豐富結構的立體效果。當設計曲線型管桁結構時，有時為了降低加工成本，桿件仍然加工成直桿，由折線近似代替曲線。如果要求較高，可以采用彎管機將16mn鋼管彎成曲管，這樣建筑效果更好。        2.4 管桁架的優點         16mn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，如上海體育場、上海科技城、首都機場新航站樓、廣州新白云及長航站樓、廣州國際會展中心、上海新國際博覽中心、南京國際會展中心、南京奧林匹克體育場、江蘇省南通市體育會展中心等大型工程中均采用了16mn鋼管結構。工程實際表明，16mn鋼管結構既可以很好地滿足建筑要求，又能夠使結構達到安全、適用、經濟等性能指標，符合鋼結構的最新設計觀念。      16mn鋼管截面具有一系列獨特的優越性能，主要有以下幾個方面：         ①圓管和方管的管壁一般較薄，截面回轉半徑較大，故抗壓和抗扭性能好。對稱截面形式使得截面慣性矩對各軸相同，有利于單一桿件的穩定設計。截面的閉合提高了抗扭剛度，對板件局部穩定性而言，閉合截面也優于有懸挑板件的開口截面。在許多場合下，建筑師也愿意利用16mn鋼管外觀簡潔的特點表達其建筑意圖。         ②在截面積相同的型鋼中，16mn鋼管外表面積最小，這就使得16mn鋼管與大氣的接觸面積最小，加之16mn鋼管往往會兩端封閉，內部不會生銹，這就大大減少了防腐防火涂層的材料消耗和涂裝工作量。而且16mn鋼管結構較易于清刷、油漆，故維護更為方便。         ③16mn鋼管截面的流體動力特性好。承受風力或水流等荷載作用時，荷載對16mn鋼管結構的作用效應比其它截面形式結構的效應要低得多。         ④16mn鋼管加工便利。隨著多維數控切割技術的發展，16mn鋼管的相貫線切割已經不再是難題，國內許多鋼結構加工廠家已經掌握了這項技術。         雖然就材料單價而言，16mn鋼管價格高于普通開口截面形式的型鋼，但上述優點綜合起來，16mn鋼管結構在眾多結構形式中仍然是優先選用的基本結構形式之一。        結語：利用空間16mn鋼管桁架作為屋蓋結構具有很多優點，不僅滿足了本體育館大跨度的要求，而且作為一種結構體系，它符合了大跨空間結構的發展需要，營造了美學與力學的完美結合的設計理念。此類結構形式得到了廣泛的工程實踐應用，具有強勁的發展勢頭。