空间桁架的结构特点及其在水利电力工程中的应用.pdf

设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 1 2期 空 间桁架 的结构 特点 及 其在水利 电力工程 中的应用 陈 凯 ( 上海勘测设计研 究院 上海 2 0 0 4 3 4 ) 【 摘 要 】 结合大量空间桁架工程实例，介绍了现代空间桁架结构的应用现状，从结构单元特性、分析 方法、节点选用原则、与网架结构异 同点等角度，总结了空间桁架结构的技术特 点，揭示了空问桁架在现 代大跨、高耸结构中易于被采用的原因。就空间桁架结构在水利电力工程中的应用现状及特点展开了追踪 讨论，说明空间桁架 由于其具有较高的结构安全冗余度、几何稳定、传力明确、适应复杂空间形态，在水 利 电力工程钢桁架闸门、大跨狭长闸 ( 坝 )上空间、自立式塔架等方面有 良好的应用价值。在现代城市水 利对建构筑物造型景观标志性要求愈益突出的形势下，空间桁架势将得到更广泛 的应用。 【 关键词】 空间桁架 水利电力工程 桁架杆单元 节点 冗余度 【 DOI 编码】 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 3 1 2 0 2 6 【 中图分类号】T V3 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 6 7 2 2 4 6 9 ( 2 0 1 3 ) 1 2 - 0 0 9 8 0 4 1 引言 空 间桁架主要是 由上弦杆 、腹杆和 下弦杆通 过相应节点连接而成 的，截面呈三角形或 四边形 的格构式空 间杆系结构 。从 1 9世纪 3 0年代 由德 国 ME R O提 出空 间桁架结构设想 ，到 1 9 7 0年 大 阪世界博览会尽现空 间桁架 的特殊魅力 ，再到近 年来世界各 国因举办大型体育赛事 、展览会等而 大量兴建此类结构，空 间桁架结构在世界范 围内 得 到 了广泛应用与长足发展 。 我 国从 2 0世 纪 9 O年代 以来 ，由于经济 的快 速 发展、社会 的强大 需求 ，特别是在经历 了 2 0 0 8 年 奥运会 、2 0 l 0年世博会之后 ，大量空 间桁架结 构应运而生 ，使 空间桁 架结构 的分析、设计及施 工技术均得 到 了长 足的发展 。空间桁架不仅在传 统 的公共建 筑 中应 用范围不断扩大 ，且在水利 电 力 等 特 殊 工 程 也 有 广 泛 应 用 ，结 构 跨 度 已达 3 5 0 m 以上，悬挑长度也 已经突破 5 0 m，其 中绝 大部分结构 的用钢量仅为 1 0 0 k g m 左右 ，相 比 其他空 间结构 ( 如网壳结构 、悬索结构 、薄壳结 构和膜 结构 ) ，其在跨度 、用钢量及 形式适用 性 等综合性方面具有一定优 势，表 1列 出了近年来 国 内外建造的典型公共建筑空间桁 架工程 。 本 文在总结分析相关文献的基础上 ，结合近 年来 国 内外大量空间桁架工程实例 ，总结 了空 间 桁架 的结构特 点，介 绍了空间桁架在 水利 电力工 程 中的应用现状 ， 揭示 了近年来空间桁架在大跨 、 高耸结构中应 用 日趋 广泛的原因，对 比传 统公共 建筑 中的空间桁架 ，指 出了其在 水利 电力等 特殊 工程 中的特殊 性及应 用价值 。 2空间桁架的结构特点 2 1 结构单元特性 空 间桁架结构从单元组成上讲 ，主要是 由相 对于索 、膜等柔性体 系而 言具 有几何确定 性 的， 被称 为 刚性 单元 的桁架 杆单 元或 空 间梁单 元构 成 ， 将单元依据造型和受力需要进行几何组合后 ， 可 以创造 出平面桁架 、立体桁架及拱桁架等诸 多 具体 的结构形式 。明确 了构成 空间桁架结构 的单 元类型 ，也就基本上确定 了用于结构分析 的计算 方法和设计程序 。 杆单元受轴 向的拉压力为主 ，适合用来模拟 作者简介 ：陈凯 ( 1 9 8 6年一 ) ，男 ，助理工程 师。 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3年第 l 2期 桁架 、系杆 等杆状构件 。现 代空 间桁架结构 的计 算分析主要依靠基于离散化假定的空间杆系有 限单 元法 ( 即空 间桁 架位 移法 ) ，该 方法是基 于 杆 梁单 元 的特性 ，并结合现代计算机 分析技术 ， 而创造 出来的一种高 效率的数值分析方法 ，其 实 质是将结 构离散化形成有 限数 量的杆 梁 单元 ， 用 局部单元 的精确解来逼近整 体结构 的近似解 ，采 用空 间杆 系有 限元法可 以分析任 何形式 、任意工 况下 的空间桁 架结构 。 2 2 节 点 节 点 是空 间桁 架 结 构最 重要 的一个 组 成 部 分 。 空 间桁架 结构能否大力推广 ， 关键在于节 点。 目前 国 内外 常用 的空 间桁 架 节 点形式 主 要有相 贯焊接节 点、铸钢 节点 、螺栓球节 点和焊接 空心 球节 点等 。 相 贯焊接节 点主要用于管桁架 结构 ，大 多采 用主管与支 管直接 相焊 的形式 ，连接简 单、材料 节省 ，无 需任 何附加形式节 点，外形美观 ，特别 是在大跨度 空间桁 架结构 中应用普遍 ，但节 点强 度 一般低于杆件强度 ，一定程度上影响 了这种 结 构型式 的经济性 。如苏州 国际博览 中心屋面采 用 下弦 是两 根平 行钢 管 的倒 梯形 空 间相 贯焊 接管 桁 架 ， 其下弦空间并联 K形圆钢管相贯节 点超 出 了现行有关 国家标准 的范畴。 表 1 国内外建造的典型公共建筑空间桁架工程 工程名称 建成年代 跨度 悬挑 ( m) 主要结构形式及特点 南通奥林匹克体育场 2 0 0 5 2 7 8 主副拱及斜拱空间桁架 ( 开闭屋盖) 济南奥林匹克中心体育场 2 0 0 7 5 3 折板型悬挑空间桁架结构 韩国大邱体育场 2 0 0 0 2 7 3 三角变高截面空间管桁架 英国千年体育馆 1 9 9 9 3 2 0 棱式桅杆支撑主桁架结构 美国密尔沃基棒球馆 2 0 0 1 1 9 2 可转动空间拱型桁架结构 浙江财经学院体育中心 2 0 0 5 l 6 6 6 梭形立体桁架结构 五棵松体育文化中心篮球馆 2 0 0 6 1 2 O 双 向正交鱼腹式空间钢桁架 北京理工大学体育馆 2 0 0 7 1 3 1 2 主桁架拱悬吊屋面桁架结构 西安咸阳国际机场航站楼 l 9 9 l 5 1( 斜向) 钢管立体桁架 宁波栎社机场航站楼 2 0 0 2 1 2 6 5 倒三角形变截面曲率空间钢管桁架 青岛流亭机场航站楼 2 0 0 6 1 8 0 V形布置三角形截面立体桁架 上海大剧院 l 9 9 8 l 0 O 4 纵向主次桁架+ 横向上反拱月牙形桁架 杭州大剧院 2 0 0 5 l 7 2 屋脊桁架+ 后屋盖平面桁架 天津市文化中心大剧院 2 0 l 2 6 6 7 双向正交空间桁架结构 上海浦东新国际博览中心 2 0 0 0 1 6 4 棱形截面空间桁架 无锡市体育会展中心 2 0 0 4 9 4 5 曲线组合截面钢桁架 首都博物馆新馆 2 O O 5 1 4 4 平面主桁架+ 平面次桁架 苏州国际博览中心标准展厅 2 0 0 5 l 0 8 变高度倒梯形截面立体桁架结构 上海世博会中国馆 2 0 l 0 ， 4 9 两向正交正放重叠悬挑型立体桁架 太原煤炭交易中心 2 0 1 l 8 7 螺旋穹顶管桁架 无锡 东站 2 0 1 O 1 2 8 倒三角性钢管桁架结构 苏卅J 北站 2 0 1 1 8 8 菱形交叉桁架 成都东站 2 0 1 l 1 5 O 平面与立体桁架结构 南京长江大桥 1 9 6 9 4 8 0 连续钢桁梁 雅泸高速公路干海子特大桥 2 0 1 2 l 8 I l 全钢管桁架梁公路桥 铸钢 节点近年来在工程 实践 中大量应用 ，特 别适合于 空间桁架结构 中造 型 比较复杂 、杆件 交 汇密集 、受力相对 集 中的节 点部位 ，可 以很好地 满 足 “ 强节 点弱构件 ”的设计原则 ，铸钢件材质 均 匀性好 、力 学性能佳 ，与焊接节 点相 比，其可 以缓解 由于大 量焊 缝 集 中而 导致 的热应 力集 中 现 象，从而直接 改善杆件 的抗疲劳性 能，铸钢件 制作工 艺复杂 ，造价 高 ，生产 周期长 。近 年来建 造 的空 间桁架 结构 中，有大量节点形式采 用 了铸 钢节点， 其中天津奥林匹克中心体育场钢管桁架 结构 中的重要连 接节点均采 用铸钢节 点，节点构 造 和受力均很 复杂 。 螺栓球节 点由于其现场施工容 易、 操作简便 ， 可避 免高空焊接作业 ，且加 工制作工艺简单 ，便 于量产 ；焊 接空 心球节 点理 论完善 、传力可 靠、 构造简单 、价格便宜 ，球面与杆件相连 时，只需 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 1 2期 钢 管沿正截面垂直切割 ，便能可靠连接 。 2 3 与网架结构 的异 同点 相 比满铺式网架结构和实腹式结构 ，空 间桁 架 可 以看成是将网架结构局部抽空后 ，形成具有 明显主次方 向的高次超静定空 间受力体系 ，结构 体 系具多道防线 ，相 比平面结构具有更多 的冗余 自由度 ，结构安全储 备高 ，结构杆件 布置灵 活， 尤 其是当需要构筑任意 曲线形状时 ，空间桁架构 型优势 明显 。在节点荷载作用下 ，杆件主要承受 轴 向的拉力与压力 ，截面应力分布均匀 ，可 以充 分发挥材料 的性能 ，更加节省材料 。 空 间桁架 和 网架 都是 由杆 件 按照 一定 规律 连接而成 的空 间杆系 结构 ，杆件 受力特性相近 。 针 对空 间桁架结构承受 的特定外部载荷作用 ，可 以通过调整杆件布置 ， 使杆件 内力分布更为合理 。 而网架结构 的杆件 内力分布不均匀 ，部分杆件 内 力偏大 ，在 外部极 限荷载作用 下容 易率先破坏 ， 可能 出现 由于 局部 杆件 的破坏 而 导致整 体 结构 的坍塌 ；部分杆件 内力又较小 ，不能充分发挥材 料 性能 ，很难做到结构 内力分布 的均匀连续 。 空 间桁架 和 网架 均可 采用 空 间杆 系有 限元 法 求解 ，在计算机技术没有成熟之前 ，只能采用 人 为 假定 的近似 方 法来求 解一 些 杆件 分布很 规 律 的杆系结构 。网架结构在一段时 间内得到大力 推 广 的原 因就在 于采 用 了适于 手 算 的拟 夹层 板 分 析法 ，而空间桁架构型多变 ，很难采用适于手 算 的简化计算模型 ，在一段时 间内阻碍 了这种空 间结构的发展 。随着计算机技术 的进步 ，计算水 平 不再成为限制空 间桁架结构发展 的瓶颈 ，空 间 桁 架必然会应用于更多 的工程实践 。 3 空间桁架在水利电力工程中的应用现状 空间桁架在 水利 电力 工程 中已有 广泛应用 ， 如 水利工程中 闸上交通桥、闸门、楼屋 盖，水 电 站 厂房或地 下厂房屋盖 ，输 电线路 中的桁架塔 ， 以及近 年来 风 电工程 中广 泛建 设 的海上 测风 塔 等 均见到空间桁 架 。 表 2列 出了上海勘测设计研 究院在 水利 电力 工程 中设 计完 成 的部分 桁架 工 程 ， 表 3 汇总 了国内已建主要海上测风塔架工程 。 余 姚 市 陶家路 出海 闸迁 建 工程 主体 为 一座 5 6 m宽 的挡潮泄洪 闸， 共设 5孔 ， 中孔净 宽 2 0 m， 边孔为 9 m，每孔 闸设 1扇工作 闸门，闸门采用 管桁架 式双扉 门结构 ， 由面板 、桁架 式主横梁 、 竖 向桁架 、门背斜杆、边梁等组成 ，桁 架式主横 梁 、竖 向连接桁架及 门背斜杆采用 圆管杆件 ，用 以减小 受涌浪 的冲 击力 ，且视 觉通透造型优 美， 节点采用管桁节 点以节省用钢量 。 镇江 引航道水利枢纽 “ 镇江之 门”连体建筑 系 由两座塔楼及其顶端 的连廊共 同组成 ，其 中连 廊横跨在两座塔楼上 ，为 多层 空间桁架 ，其弦杆 共计有 4层 ，4 4 7 5 0 m高程设下桁架 ，连廊屋顶 设上桁架 ，上 下桁架均 为钢管相贯焊接桁架 ，横 截面为 四边形 ， 上桁架高 2 6 m， 下桁架高 1 8 m， 上下桁架 间通过竖 向腹杆连接形成整体桁架 。 太浦 闸改建工程 中的启 闭机房 ，建筑采用 了 空 间网格结构 ，其结构 由横 向多榀 多边形钢架通 过纵 向系杆连接而成 ，结构横断面 由典 型钢架按 照 一定 规律 旋转后 由纵 向连 接系 相贯 连接 成整 体空 间桁架结构单元 ，整个结构给人 以波涛起伏 的律动 的美感 。 东 海奉 贤和 南 汇海 域 的两座 测风 塔是 我 国 也是亚洲第一批建设 的海上测风塔 ，由上海市发 改 委委 托上海 勘测 设计 研 究院设 计 、总承 包 ， 2 0 0 6年 9月竣工 ，至今运 行 良好 。 其 中上海南汇 海上测风塔 ，位于海 中高 8 m 的混凝土平 台上 ， 塔架 高 6 2 m，采用 了 自立式钢 管桁架 ，四根立柱 中心对称布置成正方形横截面 ，由下至上分段法 兰连接， 横截面边长( 立柱 中心间距 ) 底部为 3 3 m， 1 O m 高程处为 3 2 2 m，顶部为 0 8 2 m；交叉斜腹 杆采用螺栓连接 ； 塔架两侧对称 设置 了 6层共 1 2 处测风仪支撑杆 ，支撑杆长度约为所在 高程 处塔 架横截面边长 的 3倍 ；所有杆件均采用 圆钢 管制 作 ，单个塔架用钢量约 2 0 t 。 4 水 利电力工程 中空 间桁 架的特殊性及 应用前景 相 比传 统工程 中的空间桁架 ，由于 结构所处 环 境 的不 同及 工程 上对 结 构使用 功 能的特 殊要 求 ，在水利 电力等工程 中的空间桁架 具有 不同于 一 般桁架 的特殊性 。 首先 ，水利 电力 工程一旦 失事 ，后果严 重 ， 因此要 求结 构体系 具 多道 防线及 具备 较高 安全 冗余度 ；其次 ，水利工程 中的屋 ( 楼 )盖往往置 于 比较狭 长 的地 下洞室或跨河 枢纽建筑物 之上 ， 水 电设 备又 常常要 求厂 房 具备大 跨无 柱使 用 空 间；再者 ，诸如水工钢 闸门这样 的特种钢 结构 不 仅要求重量轻 ，更对 刚度 、变形有严格 限制 ；另 外 ， 一些特种结构因特殊环境条件还有 自身特 点， 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 1 2期 如海 上测风塔 架建于海 中平 台上，施工场地位于 海上，作业条件恶劣，日常活动只能在船只上进 行 ，遇不利气候往 往不能施工 ，一般采用 占地较 少 的 自立式空 间桁架 塔 。 空 间桁 架 的结 构特 点很好 地 满 足 了水 利 电 力工 程对于结构 的特 殊要求 。空 间桁架 作为一种 空 间结构体系 ，整 体刚度大 、承载 能力 高，相 比 平面 结构具有更 多的冗余 自由度 ，结构 安全储备 高 ，结构杆件在三维 空间 中按照一 定规 律有机结 合 ，形成 一个几何确 定、受力 明确 的空间结构体 系 ，特别 适合应用于承受较 大荷载作用 的水工结 构 物 。 现代城 市水利 工程除 要求结构 安全可靠 外 ， 越 来越关注结构 的外观特性 ，很多结构物在建 造 初 期便被要求成为 当地 的地标性建筑 ，以往水 工 结构物常常给人 以 “ 沉 闷，单调 ”的感觉 ，在 结 构 型式上没有太多 的变化 ，而 空间桁架这种结 构 型式恰恰呈现 出 “ 灵活 、多变 ”的风格 ，其造 型 优美、构型多变的外观特点很好地迎合了现代水 利 工程对于结构造型 的特殊 要求 ，可 以预见空 间 桁 架在 未 来水 利 电力 工程 中 的应用 前景 将 更为 宽广。 表 2 水利电力工程中的典型空间桁架 工程名称 建设年代 跨度 高度 ( m) 结构形式及特点 棉花滩水 电站地下厂房屋盖 1 9 9 9 2 1 9 三角形钢桁架 沙河抽水 蓄能电站主厂房屋盖 2 O 0 o 2 2 梯形钢桁架 镇江引航道水利枢纽 “ 镇江之门”连廊 2 0 1 0 4 0 上下弦子桁架组成多层空间桁架 常州大运河东枢纽交通桥 2 0 1 l l 9 矩形钢管桁架 望亭枢纽改造工程人行桥 2 0 l 】 7 l 斜靠式拱形桁架 余姚市出海闸挡潮泄洪 闸门 2 0 1 2 2 0 管桁架式双扉门结构 太浦闸改建工程启闭机房 2 0 1 3 l 3 5 空间网格结构 表 3 国内部分已建海上测风塔 建设地点 年代 塔高 平台高 建设或承建单位 奉贤近海 2 0 0 6 6 2 m 8 m 上海市发改委、上海勘测设计研究院 南汇近海 2 o 0 6 6 2 m 8 m 上海市发改委、上海勘测设计研究院 河北曹妃甸 2 0 0 8 8 0 m l O m 河北建投、上海勘测设计研究院 河北黄骅 2 o 0 8 1 O O r n 1 O m 国华能源 、上海勘测设计研究院 山东威海 2 0 0 8 总高约 l O O m 中国海洋石油总公司 江苏响水 2 o o 8 总高 7 0 m 三峡总公司、中水科技 广东惠来 2 o 0 9 总高约 1 0 0 m 中广核、上海勘测设计研究院 福建莆田平海湾 2 0 1 0 总高约 1 0 0 m 中交三航 福建霞浦福宁湾 2 0 1 0 总高约 1 0 0 m 黄海近海 2 0 1 0 总高约 l O O m 道达重工 象 山檀头山岛东 2 0 1 0 总高约 l O O m 国电电力发展股份有限公司 舟山六横岛东南 2 0 1 0 总高约 1 0 0 m 国电电力、中交三航 江苏大丰 2 0 1 0 塔高 9 0 8 m 华电集团、中国十七冶 江苏如东 2 0 1 0 总高约 1 0 0 m 华能新能源 、上海勘测设计研究院 河北乐亭 2 0 1 0 总高约 l 0 o m 国电电力、河北省电力勘测设计院 海南八所 2 0 1 1 总高约 l O O m 中交四航局第三工程有限公司 江苏盐城 ( 分布于响水、滨海、射阳、大丰 、 东台) 2 0 1 0 总高约 l O O m 华东勘测设计研究院等 海南临高 2 0 1 1 总高约 l O Om 中交四航局第三工程有限公司 5 结 语 空间桁 架结构几何确 定、受 力 明确 、整体刚 度 大 、承 载能力高 、稳 定性好 ，且 造型优美 、构 型多变 、杆件 均匀及节 点连接 可靠 、便捷 。 空 间桁 架 能很好 地 适应 水 利 电力 工程 对长 大 空间、结构刚度与可靠度 、建筑造 型 以及特殊 场地 的要求，在如机架桥屋项、地下厂房屋盖、 大跨度水工厂房楼 盖、交通桥 、机架桥 、通讯或 输 电塔架 、海上平 台或塔架 、水工钢 闸 门等水利 电力工程相 关 的建 ( 构 )筑物 中 已有成功应 用 。 空间桁架 因其造 型优美 、构型多变 的外观特 点很好地迎合了现代水利工程对于结构造型的 特殊要求 ，可 以预见在未来水 利 电力 工程 中空 间 桁架 的应用前 景将 更为宽广 。 1 01