В современном строительстве и инжиниринге никогда не было большего спроса на эффективные, долговечные и приятные глазу конструкции. Из всех решений, представленных в проектировании стальных конструкций, трубчатая ферма представляет собой одно из самых прагматичных решений. Будучи одним из основных компонентов современных стальных структурных систем, трубчатые фермы сочетают в себе структурную экономичность с архитектурной универсальностью, что делает их невероятно полезными в приложениях от гигантских спортивных стадионов до приподнятых пешеходных мостов.
В этой статье рассматриваются технологические преимущества, структурные стандарты, производственные процессы и многогранное использование трубчатых ферм в современных конструкциях. Мы опишем причины, по которым проектировщики и инженеры хотели бы использовать строительство трубчатых ферм вместо традиционных методов структурирования, и то, как они являются более чистым и недорогим методом строительства конструкций.
Понимание систем трубчатых ферм
Трубчатая ферма представляет собой треугольник или другую конфигурацию поддерживаемой конструкции, соединенной с другими трубами и размещенной на стальных трубах. Конструкция становится жесткой благодаря форме и может охватывать большие расстояния с высоким отношением прочности к весу. Полая цилиндрическая структура трубчатых ферм обеспечивает максимальную прочность ко всем типам напряжений, таким как изгиб, сжатие и кручение, по сравнению со сплошными стальными балками.
Сравнение с традиционными структурными системами
Трубчатые фермы обладают следующими конкретными преимуществами по сравнению с традиционным использованием двутавровых балок или коробчатых секций в сборных стальных системах конструкций:
- Эффективность материала: трубчатая форма более эффективна с точки зрения материала без ухудшения или даже улучшения несущей способности сплошного сечения.
- Аэродинамические характеристики: круглые поперечные сечения более устойчивы к давлению ветра, что является важным аспектом для зданий с большими пролетами.
- Гибкость конструкции: модуль трубчатой фермы обеспечивает гибкость транспортировки и сборки на месте.
Технические преимущества трубчатой ферменной конструкции
1. Улучшенная структура производительности
Геометрическая форма трубчатой ферменной конструкции обеспечивает внутреннюю устойчивость благодаря триангуляции, которая распределяет нагрузки по различным частям конструкции. Принцип проверенного веками мостостроения обеспечивает эффективную передачу силы от точки, где сила передается на опоры.
Ключевые требования к производительности:
- Хорошая статическая и динамическая устойчивость к нагрузкам
- Хорошее гашение вибрации
- Меньший прогиб веса под нагрузкой по сравнению с традиционными балками
2. Оптимизация веса
Экономия веса при проектировании стальной конструкции приводит к экономии затрат в следующем:
- Меньше закупок
- Уменьшение нагрузки на фундамент
- Меньше подъема и транспортировки
- Более быстрая установка
Стандартная трубчатая ферменная система может обеспечить экономию веса на 20-30% по сравнению с аналогичными эквивалентами сплошного сечения той же грузоподъемности.
3. Архитектурная гибкость
Наполненные воздухом тонкие линии и космические, гладкие изгибы трубчатых ферм предоставляют дизайнерам свободу дизайна. Вместо неприглядных двутавровых балок, которые так часто приходилось скрывать, трубчатые фермы можно оставить открытыми в качестве архитектурных элементов. Это сделало их очень востребованными в престижных строительных проектах, где форма и функциональность являются первостепенными соображениями.
4. Эффективность изготовления
Поскольку они являются частью систем стальных конструкций, трубчатые фермы могут использовать передовые методы производства:
- Система автоматизированного проектирования (САПР) гарантирует точность изготовления компонентов
- Технологии автоматизированной резки и соединения упрощают процессы
- Модульная конструкция позволяет производить сборку на заводе и проводить проверку
Все это приводит к сокращению сроков проекта и снижению трудозатрат на месте.
Широкое применение систем трубчатых ферм
1. Колоссальные кровельные каркасы
Поскольку они способны перекрывать 100 метров и более без опор между ними, системы трубчатых ферм лучше всего подходят для:
- Спортивных стадионов и арен
- Аэропортовых терминалов
- Конференц-центров
- Промышленных складов
Пекинский национальный стадион («Птичье гнездо») использовал сложную систему трубчатых ферм, чтобы получить его теперь узнаваемую форму, при этом отвечая строгим сейсмическим требованиям.
2. Мостостроение
Трубчатые фермы особенно подходят для мостовых применений благодаря их:
- Высокому соотношению прочности к весу
- Устойчивости к динамическим нагрузкам
- Гибкости для придания геометрии различных форм
Типичные формы мостов, в которых используются трубчатые фермы, включают:
- Пешеходные мосты
- Автомобильные путепроводы
- Железнодорожные мосты
- Временные военные мосты
3. Промышленные здания
В коррозионных промышленных средах системы стальных конструкций, включающие трубчатые фермы, обеспечивают:
- Большие пролеты для открытого пространства
- Устойчивость к вибрациям тяжелого оборудования
- Коррозионная стойкость в коррозионных средах (при соответствующей обработке)
Типичные области применения:
- Здания электростанций
- Нефте- и газоперерабатывающие заводы
- Производственные мощности
- Горнодобывающее оборудование
4. Специальные конструкции
Проектирование трубчатых ферм Гибкость проявляется в различных специализированных приложениях:
- Временные фестивальные и концертные залы
- Выставочные павильоны
- Ангары для самолетов
- Убежища для ликвидации последствий стихийных бедствий
- Вышки линий электропередач
Критические соображения по проектированию
Эффективная установка системы трубчатых ферм в сборной стальной конструкции требует тщательного рассмотрения нескольких инженерных факторов:
1. Расчет нагрузки и структурный анализ
Инженерам необходимо учитывать:
- Стационарные нагрузки (постоянные веса на зданиях)
- Постоянные нагрузки (нагрузки от пребывания и использования)
- Нагрузки окружающей среды (ветер, снег и сейсмичность)
- Динамические нагрузки (вибрация, ударная нагрузка)
Расширенное программное обеспечение для конечно-элементного анализа (FEA) обычно применяется для моделирования сложных условий нагрузки.
2. Конструкция соединения
Крепления элементов труб являются областями высокого напряжения. Различные распространенные методы крепления:
- Постоянные конструкции – прямая сварка
- Модульные системы – фланцевые соединения
- Ситуации с большой нагрузкой – косынки
Эффективная конструкция соединения позволяет избежать преждевременного отказа и эффективно передавать нагрузку.
3. Защита от коррозии
В связи с их широким применением, трубные фермы должны быть обеспечены надлежащей защитой от коррозии:
- Горячее цинкование
- Специальные системы окраски
- Облицовка нержавеющей сталью в агрессивных средах
4. Огнестойкость
Хотя сталь сама по себе негорючая, ее прочность уменьшается с повышением температуры. Методы противопожарной защиты:
- Вспучивающиеся покрытия
- Бетонная облицовка
- Напыляемые огнезащитные материалы
Передовой опыт монтажа и строительства
Преимущества систем трубчатых ферм можно получить только при правильном монтаже:
1. Проверка перед сборкой
- Выполнение пробных подгонок перед окончательной установкой
- Проверка всех точек соединения и допусков
2. Подъем и позиционирование
- Использование правильных расчетов грузоподъемности крана
- Использование временных распорок при монтаже
3. Контроль качества
- Неразрушающий контроль критических сварных швов
- Проверка точности размеров
4. Соображения безопасности
- Защита рабочих от падений
- Контроль нагрузки во время подъемных операций
Новые тенденции в области трубчатых ферм
Технология стальных конструкций продвигает применение трубчатых ферм:
- Новые материалы: больше, но более легких стальных сплавов для еще более легких конструкций
- Цифровое изготовление: роботизированная и 3D-печать сложных узловых соединений
- Устойчивые решения: конструкция разборки и перерабатываемая материал
- Умные конструкции: встроенные датчики для мониторинга состояния конструкций в реальном времени
Заключение
Трубчатые фермы — это форма искусства в современном проектировании стальных конструкций. С более низкой эффективностью материала, структурными характеристиками и эстетическим потенциалом эти системы преодолевают внутренние ограничения современного строительства. Будь то строительство огромных пролетов стадионов или тонких пролетов мостов, трубчатые фермы расширяют границы стальных конструкций.
Поскольку мы смотрим на будущие потребности инфраструктуры, технология трубчатых ферм будет продолжать расширяться в приложениях, лежащих в основе развития технологии материалов, компьютерного планирования строительства и устойчивого проектирования. Применение трубчатых ферм находится на переднем крае новой эры проектирования стальных зданий для проектировщиков, инженеров и подрядчиков, которые хотят обеспечить оптимальные структурные характеристики.
Благодаря разумному применению опыта в области трубчатых ферм строительная отрасль теперь способна достичь большей производительности, экономичности и красоты в зданиях от небольших до гигантских размеров.
