大跨度16mn钢管桁架  空间16mn钢管桁架结构体系是大跨空间结构中的一个重要成员。郑州大学新校区体育馆由三组环向桁架、三组径向桁架和三组撑杆为主要构件组成，外环、外部径向桁架与中环构成结构的主要受力骨架，通过封闭外环的设计，使其形成一个受拉的环箍，限制了外部径向桁架滑动支座端的径向位移，从而减小了整个结构的竖向挠度，在此满足规范要求的同时，使结构用钢量达到最佳经济指标。该屋盖平面的水平投影为轴对称的花瓣形，在半径约7m和15m及外围处设置三道封闭的环桁架，沿径向设置24道空间桁架，并以环桁架为分界沿圆周方向错开布置，径向桁架被划分为外、中、内三部分。整个结构外观简洁，轻逸，受力合理，传力直观，整体性能好。对它进行探索有助于了解结构性能，指导设计施工，并为类似结构的应用提供依据。        1 管桁架结构概述         近年来，16mn钢管结构不仅在海洋工程、桥梁工程中得到了广泛应用，而且在工业及民用建筑中的应用日益广泛，16mn钢管结构在我国建筑结构中的应用也越来越多，如宝钢三期工程中采用方管桁架，吉林滑冰练习馆、哈尔滨冰雪展览馆、上海“东方明珠”电视塔和长春南岭万人体育馆均采用方16mn钢管作为主要结构构件，广州体育馆屋盖采用了方16mn钢管和圆16mn钢管，上海虹口体育场采用圆16mn钢管作为屋面承力体系，成都双流机场屋盖采用了圆16mn钢管作为主要受力构件。在公共建筑领域，16mn钢管结构中独特的结构形式层出不穷，如悉尼水上运动中心，美国迦登格罗芙水晶教堂；单层大空间建筑领域，除了在超级市场、货栈和仓库中继续广泛应用外，还出现了一些超大型结构，如新加坡章楦机场机库，大阪国际机场候机厅；另外还有轻型大跨结构，如人行天桥和起重机结构；其他特殊用途的结构，如天线桅杆和航天发射架等。2001年建成的建筑面积7250的北京植物园展览温室是国内首次采用相贯节点的曲线16mn钢管桁架结构。钢结构用材为16Mn，16mn钢管最大规格为299mmx12mm，钢结构总吨位720t。上海体育馆的膜结构屋盖主要由16mn钢管相贯而成的32榀桁架、环梁组成，呈南北对称的马鞍形状，最大跨度288.4m，标高31.74-70.54m，主桁架最大16mn钢管直径508mm，采用直接焊接K型节点。最长的悬挑梁74.162m，材料采用英钢50D。南京国际展览中心的二层展厅是一个长243m、宽75m的无柱大空间，屋面呈弧形，南北两端主入口各有15m悬挑，西侧又有14m悬挑。采用的是16mn钢管拱架、檩架的结构方案。        2 16mn钢管桁架结构的形式及特点         2.1 管桁架的分类:根据受力特性和杆件布置不同，可分为平面管桁结构和空间管桁结构。平面管桁结构的上弦、下弦和腹杆都在同一平面内，结构平面外刚度较差，一般需要通过侧向支撑保证结构的侧向稳定。在现有管桁结构的工程中，多采用Warren桁架和Pratt桁架形式，Warren桁架一般是最经济的布置，与Prat桁架相比Warren桁架只有它一半数量的腹杆与节点，且腹杆下料长度统一，这样可极大地节约材料与加工工时。Vierendeel桁架主要应用于建筑功能或使用功能不容许布置支撑斜杆时的情况.         空间管桁结构通常为三角形截面，与平面管桁结构相比，它能够具有大的跨度，且三角形桁架稳定性好，扭转刚度大且外表美观。在不布置或不能布置面外支撑的场合，三角形桁架可提供较大跨度空间。一组三角形桁架类似于一榀空间刚架结构，且更为经济。可以减少侧向支撑构件，提高了侧向稳定性和扭转刚度。对于小跨度结构，可以不布置侧向支撑。         2.2 连接件的截面形式常用的杆件截面形式为圆形、矩形、方形等，按连接构件的不同截面可分为以下几种桁架形式：        C-C型桁架：即弦杆和腹杆均为圆管相贯的桁架结构；  R-R型桁架：即弦杆和腹杆均为方16mn钢管或矩形管相贯的桁架结构；         R-C型桁架：即矩形截面弦杆与圆形截面腹杆直接相贯焊接的桁架结构。        2.3 桁架的外形         从桁架外形（即从弦杆类型来分）方面可分为：直线型与曲线型管桁结构。随着社会对美学要求的不断提高，为了满足空间造型的多样性，管桁结构多做成各种曲线形状，丰富结构的立体效果。当设计曲线型管桁结构时，有时为了降低加工成本，杆件仍然加工成直杆，由折线近似代替曲线。如果要求较高，可以采用弯管机将16mn钢管弯成曲管，这样建筑效果更好。        2.4 管桁架的优点         16mn钢管结构因其具有优美的外观、合理的受力特点以及优越的经济性，在现代工业厂房、仓库、体育馆、展览馆、会场、航站楼、车站及办公楼、商住楼、宾馆等建筑中得到了广泛的应用，如上海体育场、上海科技城、首都机场新航站楼、广州新白云及长航站楼、广州国际会展中心、上海新国际博览中心、南京国际会展中心、南京奥林匹克体育场、江苏省南通市体育会展中心等大型工程中均采用了16mn钢管结构。工程实际表明，16mn钢管结构既可以很好地满足建筑要求，又能够使结构达到安全、适用、经济等性能指标，符合钢结构的最新设计观念。      16mn钢管截面具有一系列独特的优越性能，主要有以下几个方面：         ①圆管和方管的管壁一般较薄，截面回转半径较大，故抗压和抗扭性能好。对称截面形式使得截面惯性矩对各轴相同，有利于单一杆件的稳定设计。截面的闭合提高了抗扭刚度，对板件局部稳定性而言，闭合截面也优于有悬挑板件的开口截面。在许多场合下，建筑师也愿意利用16mn钢管外观简洁的特点表达其建筑意图。         ②在截面积相同的型钢中，16mn钢管外表面积最小，这就使得16mn钢管与大气的接触面积最小，加之16mn钢管往往会两端封闭，内部不会生锈，这就大大减少了防腐防火涂层的材料消耗和涂装工作量。而且16mn钢管结构较易于清刷、油漆，故维护更为方便。         ③16mn钢管截面的流体动力特性好。承受风力或水流等荷载作用时，荷载对16mn钢管结构的作用效应比其它截面形式结构的效应要低得多。         ④16mn钢管加工便利。随着多维数控切割技术的发展，16mn钢管的相贯线切割已经不再是难题，国内许多钢结构加工厂家已经掌握了这项技术。         虽然就材料单价而言，16mn钢管价格高于普通开口截面形式的型钢，但上述优点综合起来，16mn钢管结构在众多结构形式中仍然是优先选用的基本结构形式之一。        结语：利用空间16mn钢管桁架作为屋盖结构具有很多优点，不仅满足了本体育馆大跨度的要求，而且作为一种结构体系，它符合了大跨空间结构的发展需要，营造了美学与力学的完美结合的设计理念。此类结构形式得到了广泛的工程实践应用，具有强劲的发展势头。