Стальная решетчатая конструкция с длинными пролетами

В отличие от обычных плоских пространственных рам или жестких портальных рам, в конструкции стальной решетчатой ​​​​оболочки с длинными пролетами используется несущая система с изогнутой пространственной решеткой. Хотя плоские конструкции в основном полагаются на изгибающее действие, эта система обеспечивает несущую способность за счет сочетания тяги оболочки и арки и осевого действия пространственных элементов.

Эта система представляет собой не просто сборку отдельных элементов, а комплексное решение, включающее структурные узлы, подшипники скольжения, противоударные фундаментные элементы, кровельные ограждающие конструкции и молниезащиту/коррозионную защиту. Он специально разработан для решения структурных проблем, связанных с бесколонными крышами с пролетом более 60 метров, сложной криволинейной геометрией и объектами, подверженными сильным ветровым и снеговым нагрузкам. Сочетая архитектурную эстетику с долговременной эксплуатационной безопасностью, он стал основным выбором для кровли сверхбольших пролетов промышленных объектов и общественных мест.

Критерии выбора и различия

1.1 Определение отрасли

Стальная решетчатая оболочечная конструкция с длинными пролетами, которую часто называют просто «стальной решетчатой ​​оболочкой», представляет собой тип изогнутой, весьма статически неопределенной пространственной решетчатой ​​структуры. По сути, это плоская пространственная рамка, которая изогнута, образуя непрерывную изогнутую поверхность, охватывающую сферическую, эллипсоидную, цилиндрическую и гиперболическую параболоидную геометрию. Определяющей характеристикой является создание направленной наружу горизонтальной арочной нагрузки, что требует использования опор, кольцевых балок или устойчивых к расколу фундаментов для противодействия внутренним силам. Напротив, плоские пространственные рамы несут нагрузки преимущественно в вертикальном направлении и не создают горизонтальной арочной нагрузки; фундаментальные механические принципы, управляющие двумя системами, совершенно различны. 

1.2 Визуальные характеристики поведения конструкции

- Нагрузка на элемент: преимущественно осевое растяжение и сжатие; отсутствие местных напряжений изгиба обеспечивает равномерное распределение напряжений.

- Передача нагрузки: вертикальные нагрузки на крышу распределяются вдоль тангенциального направления изогнутой поверхности на осевые силы внутри оболочки; путь нагрузки короткий, что приводит к минимальным потерям энергии.

- Эксплуатационная пригодность: крайне статически неопределенная резервная структура; отказ локального элемента не вызывает глобального обрушения, обеспечивая превосходную устойчивость к внезапному ветру, снегу и сейсмическим явлениям.

1.3 Классификация по пролету и конфигурации 3D-узла

- Однослойная стальная решетчатая оболочка: однослойная конструкция элементов с очень низким собственным весом; подходит для остекленных куполов малого и среднего пролета (15–60 м) и небольших ландшафтных павильонов; применим только в регионах с небольшими ветровыми и снеговыми нагрузками; преимущественно используются узлы ступиц из литой стали.

- Двухслойная решетчатая оболочка с болтовым соединением: конфигурация двухслойной решетки, состоящая из верхнего и нижнего поясов с соединительными элементами перемычки; обеспечивает высокую жесткость; подходит для стандартных угольных навесов больших пролетов (30–100 м) и цилиндрических резервуаров для хранения; предпочтительный выбор для внутренних территорий со стандартными ветровыми и снежными условиями.

- Двухслойная решетчатая оболочка из сварных шариков: имеет сварку с полным проваром в сферических узлах, что обеспечивает исключительную устойчивость к деформации; подходит для сверхбольших пролетов (60–200 м) и хранилищ тяжелых грузов в прибрежных районах, подверженных сильным ветрам и сильному снегопаду.

Основные критерии выбора материала: сталь Q235B выбирается для пролетов ≤60 м и нагрузок на кровлю ≤0,9 кН/м²; Сталь Q355B используется для пролетов >60 м, угольных навесов для тяжелых грузов и прибрежных районов.

Комплексные системные компоненты длиннопролетных стальных решетчатых оболочечных конструкций

2.1 Структурные единицы первичной сетки

Состоит из изготовленных по индивидуальному заказу элементов круглого полого сечения (CHS) и трех типов специализированных узлов; все элементы обрезаются на определенную длину в зависимости от кривизны поверхности, а не на стандартную длину. Базовые материалы включают бесшовные стальные трубы и стальные трубы, сваренные высокочастотной сваркой, с характеристиками от 60×3,5 до 219×10. Дифференцированные сценарии применения для типов узлов:

- Полые сферы на болтах: цилиндрические оболочки малой кривизны и двухслойные обычные сетчатые оболочки; собирается на месте с помощью болтов, не требуя сварки на месте.

- Сварные полые сферы: Большепролетные, тяжеловесные и толстостенные конструкции; имеют внутренние кольцевые ребра жесткости, препятствующие локальной деформации при смятии.

- Ступичные узлы из литой стали: Специально для однослойных изогнутых куполов; использовать разъемные соединения и обеспечивать высочайший уровень стандартизации компонентов.

Сопутствующие крепежные детали: в системах сферических болтов используются стандартные высокопрочные болты класса 10.9, конические головки, уплотнительные пластины и втулки; В сварных сферических системах отсутствуют стандартные крепления, и они полностью полагаются на стыковые сварные швы с полным проваром и скошенными краями.

2.2 Дифференцированные системы поддержки

Горизонтальная тяга арки сетчатой ​​оболочки в 3–5 раз больше, чем пространственной рамы; неправильный выбор опор может напрямую привести к обрушению крыши. Четыре типа опор и сценарии их применения:

- Неподвижные шарнирные опоры: Расположены по углам здания; сдерживать вертикальное и двунаправленное горизонтальное смещение, выдерживать более 60% нагрузки на свод корпуса и допускать незначительное вращение для снятия напряжения.

- Однонаправленные скользящие опоры: скользят по окружности или радиальному направлению; специально разработан для снятия теплового давления, вызванного сезонными перепадами температур, и предотвращения растрескивания из-за теплового расширения и сжатия.

- Растяжимые шарнирные опоры: используются на прибрежных или открытых открытых площадках; противостоять отрицательным силам всасывания ветра и предотвращать подъем или отрыв сетчатой ​​оболочки ветром.

- Эластичные опоры: используются на объектах с неравномерной осадкой фундамента или для неравномерных сетчатых оболочек двоякой кривизны; адаптироваться к деформации фундамента, чтобы отрегулировать распределение нагрузки.

Опорные аксессуары: опорные плиты толщиной 18–30 мм, боковые ребра жесткости 12–20 мм, встроенные анкерные болты Q355B и выравнивающие/противоскользящие прокладки. 

2.3 Меры поддержки фундаментной конструкции и устойчивости к ударам

Стандартные изолированные оголовки свай не могут противодействовать направленному наружу давлению, создаваемому сетчатой ​​оболочкой; следовательно, требуется целенаправленное усиление. В фундаментах используют железобетонные изолированные свайные насадки С30–С35, ленточные фундаменты или свайные наголовники. Противоподъемные балки и бетонные опоры-противовесы установлены снаружи фундамента для ограничения смещения наружу. Допуск плоскостности закладных стальных подшипниковых пластин установлен на уровне ≤2 мм, чтобы обеспечить плавное скольжение подшипников.

2.4 Меры поддержки для ограждения крыши и боковой устойчивости

Система ограждения крыши состоит из трех типов: алюминиево-магниево-марганцевые панели со стоячим фальцем для изогнутых корпусов бочек, закаленное изоляционное стекло для куполов дневного освещения и профилированные стальные листы с цветным покрытием для закрытых угольных навесов. Второстепенные элементы конструкции полностью состоят из горячеоцинкованных прогонов C- и Z-образного сечения, дополненных кровельными стяжками и карнизными стойками. Боковая устойчивость обеспечивается внешней железобетонной кольцевой балкой, которая выдерживает общую нагрузку арки, а также дополнительными стальными распорками на концах фронтона и между колоннами для предотвращения бокового смещения на концах. 

2.5 Комплексные системы антикоррозионной, огнестойкой и молниезащиты

- Антикоррозийная защита: толщина горячеоцинкованного покрытия ≥85 мкм для стандартных внутренних объектов и ≥120 мкм для прибрежных объектов, подверженных воздействию солевых брызг; Ремонт поврежденного цинкования на месте включает абразивоструйную очистку Sa2,5 с последующим нанесением трехслойного эпоксидного покрытия с высоким содержанием цинка.

- Огнестойкость: помещения общественного назначения покрыты тонкопленочными вспучивающимися огнестойкими покрытиями (с пределом огнестойкости 0,5–2,0 часа); закрытые промышленные угольные сараи не требуют стандартных огнезащитных покрытий.

- Молниезащита: элементы верхнего пояса служат естественной молниеотводящей сеткой, соединенной с основными стержнями арматуры фундамента посредством несущих анкерных болтов, образуя полную цепь заземления; дополнительные молниезащитные полосы не требуются.

Готовые к внедрению решения

1. Двухслойная сетчатая оболочка с болтовым соединением: 

Стальные трубчатые элементы + болтовые шарики + однонаправленные скользящие шарнирные опоры + ленточные противораскатные фундаменты + стальная облицовка с цветным покрытием; идеально подходит для закрытых угольных навесов и силосов для заполнителей; Самая низкая стоимость и кратчайшие сроки строительства.

2. Двухслойная сварная шаровая сферическая сетчатая оболочка: 

Толстостенные сварные трубы + усиленные сварные полые сферы + фиксированные, устойчивые к растяжению опоры + свайные фундаменты + алюминиево-магниево-марганцевая кровля; подходит для большепролетных куполов стадионов и терминалов аэропортов; обеспечивает максимальную защиту от ветровых и снеговых нагрузок.

3. Однослойная стальная сетчатая оболочка ступичного узла: 

Стандартизированные изогнутые круглые трубы + ступичные узлы из литой стали + легкие шарнирные опоры + стеклянная крыша крыши; подходит для ландшафтных атриумов и небольших выставочных залов; обеспечивает превосходную эстетическую привлекательность.

Ключевые практические преимущества

1. Структурная эффективность и экономическая эффективность: 

На пролет 100 м расход стали на 18–25 % ниже, чем у двухслойных плоских рам; Эффект арки оболочки естественным образом распределяет нагрузки, устраняя необходимость в дальнейшем усилении конструкции.

2. Универсальная изогнутая геометрия: 

Способен формировать сферическую или сложную двояковыпуклую форму кровли; превышает экономический предел в 36 м для жестких каркасов портала и соответствует требованиям одобрения уникальных архитектурных форм.

3. Естественный дренаж и снижение риска утечек: 

Изогнутая геометрия обеспечивает естественный уклон для дренажа, устраняя необходимость в дополнительных слоях насыпи для создания уклона и снижая риски при обслуживании, связанные с протечками крыши и скоплением воды.

4. Высокая стабильность в экстремальных условиях: 

Будучи статически неопределенной конструкцией, она превосходит все плоские стальные конструкции по устойчивости к ветрам по шкале Бофорта 12, метелям и региональной сейсмической активности.

5. Модульная конструкция снижает высотные риски: 

Поддерживает встроенную наземную сборку с последующим гидравлическим подъемом; сокращает высотные работы на 70%, тем самым снижая количество несчастных случаев на производстве.

6. Низкие затраты на эксплуатацию и обслуживание в течение жизненного цикла: 

Однородные круглые полые профили облегчают удаление ржавчины и осмотр; изогнутая крыша позволяет дождевой воде и пыли стекать естественным образом, сокращая частоту уборки вдвое.

Сравнительный анализ с конкурирующими продуктами

5.1 Структурные различия в поведении

Портальные жесткие рамы испытывают только плоский однонаправленный изгиб; Затраты резко возрастают, когда пролеты превышают 36 м и они не могут образовывать изогнутые формы. Плоские пространственные рамы полагаются исключительно на пространственное растяжение и сжатие без горизонтальной тяги арки; их адаптация к изогнутым поверхностям требует использования множества нестандартных компонентов, что увеличивает затраты более чем на 40%. В стальных решетчатых оболочечных конструкциях с длинными пролетами используется двунаправленное пространственное арочное действие, что делает их естественным образом подходящими для изогнутых поверхностей и предлагает значительные экономические преимущества для сверхбольших пролетов.

5.2 Различия в конструкции и корпусе

Пространственные рамы обычно требуют сборки по частям на высоте, что ограничивает гибкость площадки; стальные решетчатые оболочки позволяют выбирать из четырех методов строительства, включая методы вращательного скольжения, подходящие для ограниченного пространства. Что касается корпуса, то кривизна стальной решетчатой ​​оболочки идеально сочетается с панелями из алюминия, магния и марганца и изогнутым стеклом, устраняя скручивающее напряжение на панелях крыши и снижая риск растрескивания в будущем.

5.3 Различия в антикоррозионной обработке

Конструктивные элементы полностью состоят из бесшовных круглых труб, что устраняет грязеулавливающие «мертвые зоны», возникающие при использовании угловой или швеллерной стали; это обеспечивает полное покрытие при горячем цинковании и нанесении покрытий, продлевая срок службы защиты от коррозии в прибрежных условиях на 8–12 лет по сравнению с плоскими космическими рамами. Стандартизированный рабочий процесс обработки по категориям

6.1 Основной рабочий процесс обработки двухслойных пространственных рам с болтовым соединением

1. Прецизионная обработка болтового шарика: круглая стальная поковка → Токарная обработка сферической поверхности → Многостанционное сверление и нарезание резьбы под определенными углами/кривизнами → Магнитопорошковый контроль (MPI) на наличие внутренних трещин → Горячее цинкование.

2. Прецизионная обработка элементов: резка стальных труб на станке с ЧПУ по длине → Обработка конических головок → Круговая сварка CO2 с полным проваром на обоих концах → Ультразвуковой контроль (UT, класс II) на 20% критических элементов → Дробеструйная очистка (Sa 2,5) для удаления ржавчины → Горячее цинкование.

3. Обработка аксессуаров: закалка, отпуск и проверка болтов класса 10,9; одновременное цинкование втулок и установочных винтов для обеспечения допусков посадки резьбы.

4. Заводская предварительная сборка: Монтаж изогнутого сборочного приспособления в масштабе 1:1 → Пробная сборка веерообразных узлов → Проверка сферического подъема и глубины установки болтов → Регулировка нестандартных элементов.

5. Зональная упаковка: категоризированная упаковка на основе окружной и радиальной нумерации → Маркировка последовательности сборки на месте.

6. Монтаж на объекте: Выравнивание опор → Сборка решетки нижнего пояса → Установка элементов стенки и закрытия верхнего пояса → Окончательная затяжка высокопрочных болтов → Оцинковка и огнезащитное покрытие.

6.2 Специализированный рабочий процесс для двухслойных сварных шаровых пространственных рам

Штамповка стальных пластинчатых полусфер → Снятие фасок → Сборка внутренних кольцевых ребер жёсткости → Сварка под флюсом (SAW) для замыкания сферы → 100% УЗ контроль сварных швов → Шлифовка и цинкование сфер; коническая сварка элементов в сферы на месте полного провара с проверкой и приемкой каждого сварного шва.

6.3 Специализированный рабочий процесс для однослойных пространственных фреймов узлового узла

Прецизионное литье литых узлов → Обработка разнонаправленных соединительных пазов → Фрезерование изогнутых концов труб → Заводская пробная сборка → Полное цинкование; сборка на месте путем вставки и фиксации болтами — на месте не требуются огневые работы или сварка.

6.4 Стандартизированный рабочий процесс обработки поддержки

Резка опорных пластин и пластин жесткости на станке с ЧПУ → Фаски, сборка и сварка → Прецизионное фрезерование поверхностей скольжения → Проверка сварных швов → Оцинковка анкерных болтов и упаковка комплекта.

Комплексные параметры производительности на английском языке

7.1 Геометрические параметры элементов и соединений

Стандартная спецификация стальных труб: φ60×3,5, φ76×4, φ89×4, φ114×4, φ140×6, φ159×8, φ180×10, φ219×10.

Обычный шаг сетки: 1,5–3,5 м для сферических и цилиндрических решетчатых оболочек.

Допуск на обработку элемента: общее отклонение длины ± 1,0 мм, линейность ≤ L/1000.

Сферический узел на болтах: диаметр φ120~φ400 мм, толщина стенки 12~20 мм, допуск угла отверстия под винт ±15 футов.

Сварной полый сферический узел: диаметр φ200~φ500 мм, толщина стенки 14~22 мм с внутренним кольцом жесткости.

Опорная опорная плита: толщина 18–30 мм, пластина жесткости 12–20 мм, материал анкерного болта Q355B.

7.2 Таблица механических свойств материала

7.3 Параметры пролета и несущей способности

Экономичный пролет однослойной решетчатой ​​оболочки: 15–60 м.

Двухслойная сферическая решетчатая оболочка на болтах, экономичный пролет: 30–100 м.

Максимальный пролет двухслойной сварной сферической решетчатой ​​оболочки: 60–200 м.

Индекс нагрузки на крышу: Мертвая нагрузка 0,35–0,90 кН/㎡, временная нагрузка 0,5–1,2 кН/㎡; закрытый угольный навес, временная нагрузка до 2,5 кН/㎡

Контроль температурной деформации: сверхдлинные цилиндрические корпуса должны иметь односторонние скользящие опоры, чтобы ослабить тягу температурной дуги.

7.4 Стандарты контроля сварных швов

Окружной сварной шов сферической трубы на болтах: сварной шов класса 2, 20% ультразвуковой контроль UT для ключевых элементов, 100% контроль для ключевых национальных проектов

Сварной сферический стыковый шов: сварной шов класса 2 с полным проваром, 100% УЗ-контроль для тяжелых решетчатых оболочек.

7.5 Технический индекс антикоррозийной и огнестойкости

Заводское горячее цинкование: ≥85 мкм для внутренних территорий, ≥120 мкм для прибрежных зон с соляным туманом.

Стандарт ремонта на месте: пескоструйная обработка Sa2,5, общая толщина сухой пленки ≥120 мкм для трехслойной системы окраски.

Продолжительность огнестойкости: 0,5 часа/1,0 часа/1,5 часа/2,0 часа для тонкослойного огнезащитного покрытия общественных зданий.

7.6 Контроль точности установки на месте

Отклонение кольцевой балки и оси опоры ≤±5 мм, отклонение высоты опоры ≤±3 мм

Отклонение по высоте соседних опор ≤2 мм, общее отклонение подъема корпуса ≤1/1000 расчетной высоты.

7.7 Справочная информация о потреблении стали по проекту (прогнозируемая площадь)

Однослойный купол дневного света: 10~20 кг/㎡

Двухслойный цилиндрический корпус для обычных площадок: 20–33 кг/м².

Двухслойный закрытый решетчатый корпус навеса для угля: 33 ~ 55 кг/㎡

Методы установки на месте, соответствующие условиям проекта

Схемы установки длиннопролетных стальных решетчатых оболочечных конструкций выбираются на основе условий площадки для решения таких проблем, как ограниченное пространство и ограничения доступа крана:

1. Массовая сборка на большой высоте: подходит для разбросанных площадок с небольшими пролетами, не требует большого подъемного оборудования.

2. Сборка блоков: разделите корпус на веерообразные блоки, соберите на земле и поднимите отдельно.

3. Общий гидравлический подъем: предпочтителен для помещений с большими пролетами, минимизирует риски работы на большой высоте.

4. Ротационно-сдвижная установка: подходит для узких прибрежных участков с ограниченным радиусом поворота крана.

Часто задаваемые вопросы

Q1 Как быстро выбрать между однослойными и двухслойными стальными решетчатыми конструкциями с длинными пролетами?

Для пролетов ≤60 м в неприбрежных районах, без скопления снега и с высокими требованиями к естественному освещению, предпочтительна однослойная решетчатая оболочка со ступичными узлами (снижение стоимости на 30%). Для пролетов >60 м или в прибрежных сценариях, в условиях сильного снега или тяжелых нагрузок (складирование материалов) двухслойная решетчатая оболочка обязательна для предотвращения локальной нестабильности устойчивости, связанной с однослойными конструкциями.

Q2 Можно ли исключить скользящие опоры для решетчатых оболочек?

Нет. Для корпусов бочек длиной более 45 м или куполов диаметром более 50 м термическая деформация создает внутренние распорные силы, значительно превышающие несущую способность стали; отсутствие скользящих опор может привести к непосредственному изгибу или разрушению элемента.

В3 Можно ли выполнять вторичную резку или сверление на месте после горячего цинкования?

Вторичная резка или сверление запрещены. Все места расположения отверстий и длины элементов изготавливаются на заводе, на месте выполняется только болтовая сборка; резка повреждает оцинкованное покрытие, которое не может быть полностью отремонтировано, что значительно сокращает срок службы конструкции, устойчивой к коррозии.

Q4 Какова разница в долгосрочных затратах на эксплуатацию и техническое обслуживание стальных решетчатых корпусов и пространственных рам?

При том же пролете изогнутая поверхность решетчатой ​​оболочки обеспечивает превосходные возможности самоочистки, что снижает ежегодные затраты на очистку крыши на 45%. Кроме того, элементы, воспринимающие осевую нагрузку, не подвергаются усталостному изгибу, что устраняет необходимость в усилении конструкции в течение 30 лет; таким образом, производительность эксплуатации и технического обслуживания намного превосходит показатели рам с плоским пространством.

Преимущества обслуживания ХАЙШЭН

1. Предварительный выбор и проектирование конструкции. Предпродажные услуги включают предоставление дополнительных специализированных чертежей расположения подшипников и усиления кольцевой балки — на основе местных параметров ветра/снег, сейсмической интенсивности и геологических условий — для предотвращения ошибок проектирования, касающихся сопротивления боковой тяге фундамента.

2. Комплексная двуязычная документация: Предоставление полной документации на английском и китайском языках, включая отчеты о материалах, отчеты об ультразвуковом испытании (UT) сварных швов, сертификаты о гальванизации и структурные расчеты установки — для непосредственного удовлетворения требований зарубежных надзорных органов и таможенного оформления.

3. Защитная упаковка для трансграничной транспортировки: Сферические узлы индивидуально завернуты в пузырчатую пленку; тонкие элементы сложены на стальных стойках с защитными угловыми ограждениями; Все товары имеют герметичную, устойчивую к соленому туману упаковку, подходящую для морских перевозок.

4. Двуязычное дистанционное техническое руководство круглосуточно и без выходных: видеоподдержка в режиме реального времени, охватывающая выравнивание подшипников скольжения, поэтапную затяжку болтов и соединение кольцевых балок.

5. Комплексная гарантия: 5-летняя структурная гарантия на основные элементы; антикоррозионная гарантия на горячеоцинкованное покрытие (15 лет для внутренних территорий, 8 лет для прибрежных территорий); и пожизненная доступность запасных частей для соединительных узлов.