Конструкция стальной пространственной рамы с большим пролетом

Основные определения продуктов

1. Общее определение

В соответствии со Стандартом проектирования стальных конструкций (GB 50017), кровельные конструкции с пространственной решеткой пролетом 60 метров и более классифицируются как крупнопролетные стальные пространственные рамные конструкции. Они собираются из стальных трубчатых элементов и сферических соединений в геометрические системы, такие как четырехугольные или треугольные пирамиды. Это весьма статически неопределенные пространственные системы, в которых нагрузки распределяются глобально, а элементы в основном подвергаются осевому растяжению или сжатию. Они обеспечивают высокую общую жесткость и создают открытые пространства без колонн, что делает их идеальными для стадионов, выставочных центров, станций высокоскоростных железных дорог, складов для хранения угля, терминалов аэропортов и т. д.

2. Конкретное определение: Фундамент пространственного каркаса (Фонд поддержки).

Фундамент пространственной рамы — это основание, обычно бетонное или свайное, которое поддерживает опоры пространственной рамы и передает все нагрузки от надстройки (осевые силы, поперечные силы, изгибающие моменты, горизонтальные силы и сейсмические силы) на землю; он служит структурной основой пространственного каркаса.

· Структурные характеристики: Подвергается вертикальному давлению, горизонтальной тяге, подъемным силам и крутящему моменту; требует чрезвычайно высокой точности в отношении осадки, высоты и размещения закладных деталей.

· Ключевые контрольные точки: Дифференциальная осадка может непосредственно вызвать растрескивание соединений пространственной конструкции и нестабильность элементов, что делает ее решающим фактором успеха или неудачи пространственных конструкций с большими пролетами.

3. Различие терминологии общепространственных фреймов.

· Пространственный каркас кузова: Верхняя пространственная решетчатая конструкция (элементы + сферические соединения);

· Опора пространственной рамы: компонент, передающий нагрузку, соединяющий пространственную раму с фундаментом;

· Фундамент пространственной рамы: железобетонная конструкция, оголовок сваи или изолированное основание, расположенное под опорой.

Полная конфигурация системы

Часть 1: Основная система верхней пространственной рамы (основная несущая конструкция)

1. Структурная система (основные варианты)

· Пространственная рама ортогональной квадратной пирамиды: наиболее широко используется; обеспечивает равномерную жесткость и удобный монтаж крыши; предпочтительный выбор для прямоугольных оснований.

· Пространственная рама диагональной квадратной пирамиды: превосходные структурные характеристики и немного более низкий расход стали; подходит для средних и больших пролетов.

· Треугольная рама пирамиды: Высокая пространственная стабильность; подходит для круглых или многоугольных следов.

· Пространственная рама из сварных шаров: подходит для тяжелых грузов, сверхбольших пролетов (более 80 м), тяжелых кровельных систем и условий высоких нагрузок.

· Пространственная рама с болтовым креплением: подходит для более легких грузов и стандартных больших пролетов; Особенности заводской сборки, сборки на месте и быстрого строительства.

2. Основная конфигурация материала (стандартные характеристики)

· Члены: Стальные бесшовные трубы или прямошовные сварные трубы; Материал: Q355B (основной вариант для больших пролетов); Общие характеристики: 114×4, 140×6, 159×8, 219×10; Q235B можно использовать для меньших пролетов.

· Шаровые шарниры:

o Шарики с болтовым креплением: Φ200–Φ400; толщина стенки ≥12 мм; Материал: Q355B.

o Сварные шарики: Φ250–Φ500; толщина стенки ≥14 мм; включает внутренние ребра жесткости.

· Соединители: высокопрочные болты класса 10,9 (специализированные для пространственных рам); включает соответствующие конические головки, торцевые пластины, втулки и крепежные винты.

3. Компоненты кровли и ограждения (полная кровельная система)

· Панели крыши: алюминиево-магниево-марганцевые панели со стоячим фальцем, профилированные цветные стальные листы и панели дневного освещения (локальные).

· Вторичная конструкция крыши: стальные прогоны C/Z-профиля (горячеоцинкованные Q355B, толщина покрытия ≥80 мкм), кровельные стяжки и стойки.

· Гидроизоляция и изоляция: изоляционный слой из минеральной ваты или стекловаты, водонепроницаемая дышащая мембрана, желоба, водосточные трубы и коньковые заглушки.

Часть II: Несущая система пространственной рамы (сердечник для передачи нагрузки между верхней и нижней конструкциями)

Единственными узлами передачи нагрузки между пространственным каркасом и бетонным фундаментом служат подшипники; Выбор большепролетных конструкций должен основываться на конкретных требованиях к нагрузке:

1. Плоские компрессионные подшипники: выдерживают только вертикальное сжатие; используется для краевых опор и зон с низкими горизонтальными нагрузками.

2. Однонаправленные/двунаправленные подшипники скольжения: снимают термическое напряжение и компенсируют тепловое расширение/сужение; необходим для пространственных рам с большими пролетами.

3. Шарнирные подшипники (сферические шарнирные подшипники): обеспечивают вращение и разнонаправленную передачу силы; используется в углах, в зонах с высокими горизонтальными нагрузками и в зонах со строгими сейсмическими требованиями.

4. Подшипники растяжения (подшипники, устойчивые к подъему): используются на карнизах, консолях и в местах, подверженных значительному ветру, чтобы предотвратить подъем пространственной рамы.

Аксессуары для подшипников: опорные плиты, ребра жесткости, анкерные болты и регулировочные прокладки (для регулировки по горизонтали и высоте).

Часть III: Система нижнего фундамента

Выбор основан на геологических условиях, пролете и классификации нагрузок; Преобладающим выбором для большепролетных сооружений является комбинация «свая + свая-насадка»:

I. Общие типы фундаментов

1. Железобетонные изолированные фундаменты: пролеты 60–80 м, благоприятные геологические условия, умеренные нагрузки.

2. Ленточные фундаменты (сплошные фундаменты): удлиненные пространственные рамы, сплошные опоры, высокие требования к сопротивлению горизонтальным нагрузкам.

3. Свайные фундаменты со свайными наголовниками (предпочтительно при больших пролетах): Пролеты более 80 м, слабые грунтовые основания, большие нагрузки, зоны повышенной сейсмической активности.

o Типы свай: Буронабивные сваи, сборные трубчатые сваи.

o Оголовки свай: Квадратные/прямоугольные железобетонные оголовки свай (бетон C30/C35).

4. Сплошные фундаменты: проекты с чрезвычайно большой площадью поверхности, сложными геологическими условиями и строгими требованиями к контролю дифференциальной осадки.

II. Основная структура фундамента и закладные детали

1. Прочность бетона: оголовки свай/основная часть фундамента C30–C35; опалубочный бетон С15;

2. Встроенные части фундамента:

o Закладные стальные пластины для опор: толщиной 16–20 мм, приваренные к арматуре наголовника сваи;

o Закладные анкерные болты: для крепления опор пространственной рамы; Болты из стали Q355 в комплекте с гайками и опорными пластинами;

3. Точность контроля (Обязательные нормы для большепролетных сооружений):

o Отклонение оси ≤ ±5 мм;

o Отклонение высоты верхней поверхности ≤ ±3 мм;

o Разница высот между опорами в пределах одного пролета ≤ 2 мм.

Часть IV: Системы распорки и устойчивости

Конструкции стального пространственного каркаса с большими пролетами требуют значительной высоты и значительных горизонтальных сил (ветра, сейсмических воздействий); комплексная система стабилизации обязательна:

1. Элементы жесткости внутреннего пространственного каркаса: вертикальные/диагональные элементы перемычки между верхним и нижним поясами (неотъемлемо от пространственного каркаса);

2. Межколонные связи: поперечные связи (угловая сталь или стальная труба) между бетонными колоннами для сопротивления продольным горизонтальным силам;

3. Горизонтальные связи крыши: горизонтальные тяги и диагональные связи в плоскости верхнего пояса, образующие жесткую диафрагму крыши;

4. Каркасы карниза и фронтона: закрывают концы, повышают общую жесткость и противостоят ветровым нагрузкам;

5. Коленные распорки/стяжки: компоненты поперечной устойчивости прогонов (следуя той же логике, что и легкая стальная кровля).

Часть V. Системы антикоррозионной, противопожарной и молниезащиты.

1. Антикоррозийная защита

· Комплектующие заводского изготовления: Полностью оцинкованные (толщина цинкового покрытия ≥85 мкм); увеличенная толщина для прибрежных или химических промышленных зон;

· Сварные швы и места ремонтной сварки: Абразивно-струйная очистка для удаления ржавчины + эпоксидная грунтовка с высоким содержанием цинка + финишное покрытие;

· Сферические узлы и болты: Заводская оцинковка; резка на месте, повреждающая покрытие, запрещена.

2. Противопожарная защита

· Нанесение специализированных огнезащитных покрытий (ультратонких или тонкопленочных) в зависимости от огнестойкости здания; предел огнестойкости от 1,0 ч до 2,0 ч;

· Особое внимание к опорам покрытия, закладным деталям и болтам. 3. Молниезащита

·Верхний пояс пространственной рамы выполняет роль системы молниеприемника;

· Токоотводы формируются посредством опор, анкерных болтов и арматуры фундамента;

·Заземлители устанавливаются в фундаменте и подключаются к основной сети молниезащиты здания.

Часть 6: Поддержка монтажа и строительства

1.Способы монтажа: высотный поштучный монтаж, модульный подъемный, интегральный подъемный, накопительный сдвижной (основное направление для больших пролетов);

2.Основное оборудование: тахеометр, уровень, динамометрический ключ, гидравлическая подъемно-сдвижная система, большие краны, козловые краны;

3. Вспомогательные материалы: Специализированная смазка для высокопрочных болтов, герметик, прокладки, временные опорные рамы, растяжки.

Полный список компонентов

1. Верхняя пространственная рама: стальные трубчатые элементы + сферы на болтах/сварные сферы + высокопрочные болты + конические головки/торцевые пластины;

2.Кровельная система: кровельные панели + C/Z-прогоны + изоляция и гидроизоляция + желоба и водосточные трубы;

3.Несущие опоры: фиксированные/скользящие/сферические/устойчивые к подъему опоры + анкерные болты + закладные стальные пластины;

4.Несущая конструкция/Фундамент: Изолированные опоры/ленточные фундаменты/свайные наголовники (арматура + бетон + закладные детали);

5. Распорки устойчивости: межколонные распорки, горизонтальные распорки крыши, пространственные рамы фронтона;

6. Системы защиты: горячее цинкование (антикоррозийное), огнестойкие покрытия, молниезащита и заземление;

7.Вспомогательное оборудование для установки: временные опоры, подъемное оборудование, геодезические приборы, крепежные изделия.

Стандартная легкая стальная крыша по сравнению с конструкцией стального каркаса с большим пролетом

·Стандартная легкая стальная крыша: преимущественно портальные жесткие рамы; пролет < 60 м; отсутствует пространственная сетка;

·Большая конструкция стальной пространственной рамы пролета: пролет ≥ 60 м; пространственная сеточная структура; опирается на целостную пространственную несущую способность; Требования к фундаментам, опорам и точности значительно выше, чем к легким стальным конструкциям.

Основные преимущества

1. Сверхбольшие пролеты позволяют создавать конструкции без колонн, максимально эффективно используя внутреннее пространство.

2. Трехмерное структурное поведение обеспечивает сбалансированное распределение нагрузки и превосходную устойчивость к сейсмическим силам и давлению ветра.

3. Легкий, но жесткий; конструкция противостоит общей деформации и провисанию.

4. Компоненты заводской сборки обеспечивают быструю сборку на месте.

5. Гибкая геометрия поддерживает различные формы, включая плоские, изогнутые, сферические и неправильные купола.

6. Стабильная и прочная конструкция; длительный срок службы при обработке для защиты от коррозии.

Отличительные моменты

I. Структурные преимущества производительности

1. Трехмерное распределение нагрузки. В отличие от портальных рам или балок со сплошной перегородкой (которые подвержены изгибу и сдвигу), элементы пространственной рамы в первую очередь испытывают осевое растяжение и сжатие. Это обеспечивает эффективное использование материала и снижение собственного веса. Нагрузки от очень больших пролетов равномерно распределяются по опорам, что сводит к минимуму точечные нагрузки и снижает затраты на фундамент.

2. Высокая степень статической неопределенности: обеспечивает значительную избыточность безопасности; отказ одного члена не приведет к полному краху. Он превосходит плоские фермы и портальные рамы по устойчивости к землетрясениям, ветру, снегу и неравномерной осадке, что делает его идеальным для крупных общественных зданий, таких как стадионы, склады для хранения угля и терминалы аэропортов.

3. Большие пространства без колонн: легко достигается свободный пролет 60–150 метров. Напротив, портальные рамы обычно имеют экономичный предел пролета ≤36 метров, а стальные фермы с большими пролетами часто нерентабельны; Пространственные рамы создают просторные, беспрепятственные интерьеры без колонн.

II. Основные материалы и стоимость

1. Снижение расхода стали на эквивалентные пролеты.

Для конструкций с большими пролетами расход стали на единицу проектируемой площади ниже, чем у стальных ферм или балок крыши со сплошными перемычками. Пространственные рамы с болтовыми шарами выигрывают от стандартизированного заводского массового производства и низких затрат за счет оптовых закупок первичных материалов (стальных труб и стальных шариков).

2. Широкая адаптируемость к нагрузкам

Подходит для широкого спектра применений: от легких застекленных крыш до тяжелых угольных навесов и крыш, несущих оборудование. Выбор материала можно гибко регулировать для контроля затрат: используйте сталь Q235 для более легких нагрузок и Q355 для более тяжелых.

III. Основные моменты производства и переработки

1. Стандартизированные заводские рамы с болтовыми шариками: стальные трубчатые элементы обрезаются по длине, конические головки и торцевые пластины предварительно собираются, а стальные шарики нарезаются резьбой (все это происходит в цеху) перед сортировкой и упаковкой. Работы на месте ограничиваются сборкой и затяжкой высокопрочных болтов с минимальной необходимостью сварки. Напротив, фермы и жесткие рамы часто требуют обширного сращивания и сварки на месте.

2. Высокая универсальность компонентов. В единой пространственной раме используется ограниченный диапазон характеристик шариков, болтов и стальных трубок, что обеспечивает высокую взаимозаменяемость деталей. Это облегчает массовое производство, управление запасами, а также будущее обслуживание или замену.

IV. Различия в конструкции и установке

1. Гибкие и разнообразные методы установки. Различные методы, такие как поэлементная сборка на высоте, подъем блоков, встроенный гидравлический подъем и кумулятивное скольжение, позволяют осуществлять строительство в больших пролетах, сверхвысоких или ограниченных пространствах. И наоборот, портальные жесткие рамы и фермы существенно ограничены радиусами действия крана.

2. Контролируемая скорость строительства. Одновременное изготовление на заводе и сборка на месте сокращают общий график проекта. Отсутствие обширных сварочных работ на месте снижает потребность в дефектоскопии и антикоррозионной доработке.

V. Преимущества кровли и архитектурной формы

1. Высокая формуемость: возможны прямоугольные, круглые, эллиптические, сферические и дважды изогнутые формы. Жесткие каркасы и плоские фермы с трудом позволяют создать изогнутые крыши с большими пролетами, что делает пространственные каркасы идеальными для сооружений уникальной формы, таких как выставочные центры и спортивные стадионы.

2. Удобная планировка крыши. Равномерное и регулярное расположение узлов верхнего пояса облегчает упорядоченное размещение прогонов, панелей крыши и полос мансардных окон. Это упрощает конструкцию кровельного ограждения и обеспечивает большую гибкость при проектировании дренажных систем и планировке световых люков.

VI. Преимущества в долговечности: антикоррозийная и противопожарная защита.

1. Тонкие, однородные элементы и зрелое горячее цинкование. Стальные трубы и шары могут быть полностью оцинкованы горячим способом на заводе без «мертвых зон», обнаруженных в секциях конструкции, что приводит к превосходному антикоррозийному качеству по сравнению с жесткими рамами с двутавровым профилем. Это дает явное преимущество в сроке службы в прибрежных или химически агрессивных средах.

2. Простота нанесения огнезащитных покрытий. Благодаря дискретным элементам и управляемым площадям поверхности нанесение тонкопленочных огнезащитных покрытий является более экономичным и быстрым с точки зрения использования материалов, чем покрытие больших балок и колонн со сплошным переплетением.

VII. Основные моменты эксплуатации и технического обслуживания после строительства

1. Легкий вес, низкие эксплуатационные нагрузки на крышу; простая планировка проходов для обслуживания;

2. Четкое структурное поведение; отдельные поврежденные элементы могут быть заменены в определенных точках без обширного демонтажа или модификации крыши, что приводит к низким затратам на техническое обслуживание.

VIII. Краткое сравнение с конкурирующими системами

1. Портальные жесткие рамы: подходят для пролетов малого и среднего размера; плоское структурное поведение; опирается на гибкие элементы; бюджетный; экономическая эффективность резко падает при пролетах, превышающих 36 м;

2. Стальные фермы: плоское структурное поведение; слабая боковая жесткость; высокий собственный вес для больших пролетов; требует значительных сварочных работ на месте;

3. Стальные пространственные рамы: пространственное структурное поведение; предпочтительный выбор для сверхбольших пролетов; высокая жесткость; гибкая геометрия; высокий запас прочности.

Стандартный процесс изготовления

I. Процесс изготовления стального шара

1. Резка и ковка: Распиловка круглой стальной заготовки → Среднечастотный нагрев и ковка в грубые стальные шариковые заготовки;

2. Механическая обработка: Токарная обработка сферической поверхности → Многоугольное сверление болтовых отверстий и нарезание резьбы индексно-сверлильным станком по чертежам;

3. Проверка и неразрушающий контроль: Проверка резьбы; магнитопорошковый контроль (МПТ) для обнаружения трещин;

4. Антикоррозийная защита: общее горячее цинкование.

Сварные шарики: Штамповка стального листа на две полусферы → Снятие фаски → Сборка внутренних кольцевых ребер жесткости → Сварка под флюсом для соединения полусфер → Неразрушающий контроль → Шлифование → Гальванизация.

II. Процесс изготовления элементов пространственной рамы

1. Резка стальных труб: резка бесшовных или сварных труб фиксированной длины с использованием пил с ЧПУ; припуск на сварочную усадку включен; плоские торцы;

2. Изготовление конусной головки и концевой пластины: токарная обработка поковок для придания формы;

3. Сборка и сварка: предварительная сборка конусных головок/торцевых пластин на концах труб; позиционирование с помощью инструментов; круговая сварка CO₂ с полным проваром;

4. Неразрушающий контроль сварных швов: ультразвуковой контроль (УЗК) критически важных элементов с большими пролетами; выборочные проверки сварных швов класса II;

5. Выпрямление и удаление ржавчины: Выпрямление элементов; дробеструйная очистка до класса Sa2,5;

6. Антикоррозийная защита: общее горячее цинкование.

III. Обработка высокопрочных болтовых сборок

1. Круглая резка стали → Закалка и отпуск → Наружное точение → Накатка резьбы;

2. Проверка твердости, дефектоскопия и горячее цинкование; одновременная обработка и цинкование соответствующих втулок и установочных винтов.

IV. Заводская предварительная сборка

1. Выбрать 1–2 стандартные единицы для пробной сборки на стенде;

2. Проверьте выравнивание шарикового отверстия, глубину вставки болта и общую длину элемента;

3. Отрегулируйте размеры нестандартных деталей, чтобы обеспечить беспрепятственную сборку на месте.

V. Упаковка и классификация

Пронумеровать компоненты по зонам и спецификациям; элементы пакета, стальные шарики и болты отдельно; отметьте номерами осей.

VI. Процедуры сборки на месте

1. Межевание и планировка; выравнивание и расположение опор;

2. Выполнение по проекту строительства: поштучная сборка на высоте/блочный подъем/интегральный подъем;

3. Сначала соберите шары и элементы нижнего пояса → установите элементы стенки → соберите верхний пояс; затяните высокопрочные болты класса 10,9 до расчетного момента с помощью динамометрического ключа;

4. Детальный осмотр, подкраска антикоррозионного покрытия сварных швов и нанесение огнезащитного покрытия.

Примечание. Различия для пространственных рам со сварными шарами.

Полнопроварная сварка соединений на месте; дефектоскопия за каждым проходом сварки; нет процесса затяжки высокопрочных болтов.

Ключевые параметры производительности

I. Геометрические характеристики основных компонентов

1. Стальные трубчатые элементы пространственной рамы (Q235B/Q355B; Q355B предпочтителен для больших пролетов)

Обычные диаметры труб × толщина стенок: φ60×3,5, φ76×4, φ89×4, φ114×4, φ140×6, φ159×8, φ180×10, φ219×10

Длина готового элемента: 1,0–3,5 м (стандартный размер сетки: 1,5–3,0 м);

Допуск прямолинейности изготовления: ≤L/1000; отклонение перпендикулярности торцевой поверхности: ≤0,5 мм.

2. Сферы на болтах

Диаметр сферы: φ100, φ120, φ140, φ160, φ180, φ200–φ400;

Толщина стенки: 12–20 мм; угловой допуск для резьбовых отверстий на поверхности сферы: ±15′.

3. Сопутствующие крепежи

Болты высокопрочные класса 10,9: М12, М14, М16, М20, М22, М24, М27, М30; аксессуары: втулки, конические головки, торцевые пластины, стопорные винты.

4. Опорные пластины

Толщина опорной плиты: 16–30 мм; толщина пластины ребра жесткости: 12–20 мм; встроенные анкерные болты: Q355.

II. Механические свойства материала

III. Структурная несущая способность

1. Характеристики несущей способности: все элементы большепролетной стальной пространственной рамной конструкции подвержены осевому растяжению или сжатию; нет изгибных элементов; это весьма статически неопределимая структура; отказ отдельных членов не вызывает общего краха.

2. Типичные применимые пролеты

1. Болто-сферические рамы: 12–80 м;

2. Сварные сферические рамы: 50–180 м (для сверхбольших пролетов и больших нагрузок). 3. Типовые значения нагрузки на кровлю: Собственная нагрузка 0,30–0,80 кН/м²; временная нагрузка 0,5–1,0 кН/м²; тяжелые конструкции (например, навесы для сухого угля) могут превышать 2,0 кН/м².

4. Термическая деформация. Скользящие опоры должны быть установлены на пролетах, превышающих 60 м в одном направлении, для снятия напряжений теплового расширения/сжатия.

IV. Стандарты сварки и дефектоскопии

1. Кольцевые сварные швы между элементами и конусными головками: сварные швы класса II; 100% ультразвуковой контроль (УЗК) критически важных элементов с большими пролетами; 20% случайная выборка для стандартных членов.

2. Стыковые швы для сварных сфер: сварные швы II категории; 100% обнаружение дефектов для критически важных проектов.

V. Параметры защиты от коррозии

1. Заводская продукция: горячее цинкование; толщина цинкового покрытия ≥85 мкм (≥120 мкм для прибрежных агрессивных зон).

2. Ремонт поврежденных участков на месте: Пескоструйная обработка до степени Sa2,5 → эпоксидная цинк-содержащая грунтовка + промежуточный слой + финишное покрытие; общая толщина сухой пленки ≥120 мкм.

VI. Параметры противопожарной защиты

Для общественных зданий и промышленных предприятий наносят тонкопленочные или сверхтонкопленочные вспучивающиеся огнезащитные покрытия исходя из требуемой степени огнестойкости (пределы огнестойкости 0,5ч, 1,0ч, 1,5ч или 2,0ч); Толщина покрытия должна соответствовать соответствующим стандартам.

VII. Параметры управления установкой

1. Отклонение оси поддержки ≤±5 мм; высота верхней поверхности опоры ≤±3 мм; перепад высот между соседними опорами не более 2 мм.

2. Момент окончательной затяжки высокопрочных болтов должен строго соответствовать указанным значениям; Глубина зацепления резьбы должна соответствовать проектным чертежам.

VIII. Ориентировочный расход стали (на проектируемую площадь)

Легкие крыши с дневным освещением: 12–22 кг/м².

Стандартные промышленные предприятия и помещения: 22–35 кг/м².

Навесы для сухого угля и крыши для тяжелых условий эксплуатации, поддерживающие тяжелое оборудование: 35–60 кг/м².