Конструкция от стоманена пространствена рамка с голям обхват

Основни продуктови дефиниции

1. Обща дефиниция

В съответствие със стандарта за проектиране на стоманени конструкции (GB 50017), пространствените решетъчни покривни конструкции с обхват от 60 метра или повече се класифицират като стоманени рамкови конструкции с голям размах. Те са сглобени от стоманени тръбни елементи и сферични съединения в геометрични системи като четириъгълни или триъгълни пирамиди. Това са силно статично неопределени пространствени системи, при които натоварванията са разпределени глобално и елементите са подложени предимно на аксиално напрежение или компресия. Те предлагат висока цялостна здравина и създават отворени пространства без колони, което ги прави идеални за стадиони, изложбени центрове, високоскоростни железопътни гари, навеси за съхранение на въглища, летищни терминали и др.

2. Специфично определение: Space Frame Foundation (фондация за подкрепа)

Фундаментът на пространствената рамка е подструктурата — обикновено бетонна или базирана на пилоти — която поддържа лагерите на пространствената рамка и прехвърля всички натоварвания от надстройката (аксиални сили, сили на срязване, огъващи моменти, хоризонтални сили и сеизмични сили) към земята; той служи като структурна основа за пространствената рамка.

· Структурни характеристики: Изложени на вертикален натиск, хоризонтален натиск, сили на повдигане и въртящ момент; изисква изключително висока точност по отношение на слягането, надморската височина и поставянето на вградените части.

· Ключови контролни точки: Диференциалното слягане може директно да причини напукване в ставите на пространствената рамка и нестабилност на елементите, което го прави критичен фактор за успеха или неуспеха на пространствени рамки с голям обхват.

3. Разграничаване на терминологията на общата пространствена рамка

· Тяло на пространствената рамка: горната пространствена решетъчна структура (членове + сферични връзки);

· Лагер на пространствената рамка: Компонентът за пренасяне на товара, свързващ пространствената рамка с основата;

· Основа на пространствената рамка: стоманобетонната конструкция, пилотната шапка или изолираната основа, разположена под лагера.

Пълна системна конфигурация

Част 1: Основна система на горната рамка на пространството (първична носеща конструкция)

1. Структурна система (основни опции)

· Ортогонална квадратна пирамидна пространствена рамка: Най-широко използвана; предлага равномерна твърдост и удобен покривен монтаж; предпочитан избор за правоъгълни отпечатъци.

· Диагонална квадратна пирамидна пространствена рамка: превъзходни структурни характеристики и малко по-ниска консумация на стомана; подходящ за средни до големи разстояния.

· Триъгълна пирамидна пространствена рамка: Висока пространствена стабилност; подходящ за кръгли или многоъгълни отпечатъци.

· Рамка със заварени топки: Подходяща за големи натоварвания, ултра-големи разстояния (над 80 м), тежки покривни системи и условия на високо натоварване.

· Пространствена рамка с болтова топка: Подходяща за по-леки товари и стандартни големи разстояния; разполага с фабрично предварително производство, сглобяване на място и бързо изграждане.

2. Конфигурация на основния материал (стандартни спецификации)

· Членове: безшевни стоманени тръби или правошевни заварени тръби; Материал: Q355B (основен поток за големи разстояния); Общи спецификации: Φ114×4, Φ140×6, Φ159×8, Φ219×10; Q235B може да се използва за по-малки разстояния.

· Ставни топки:

o Завинтени топки: Φ200–Φ400; дебелина на стената ≥12mm; Материал: Q355B.

o Заварени топки: Φ250–Φ500; дебелина на стената ≥14mm; включва вътрешни усилващи ребра.

· Конектори: високоякостни болтове клас 10.9 (специализирани за космически рамки); включва съответстващи конични глави, крайни плочи, втулки и закрепващи винтове.

3. Компоненти за покриви и заграждения (цялостна покривна система)

· Покривни панели: алуминиево-магнезиево-манганови панели със стоящ шев, профилирани цветни стоманени листове и панели за дневна светлина (локализирани).

· Вторична покривна конструкция: стоманени греди със сечение C/Z (горещо поцинковани Q355B, дебелина на покритието ≥80 μm), свързващи пръти за покрива и подпори.

· Хидроизолация и изолация: Изолационен слой от каменна вата или стъклена вата, водоустойчива дишаща мембрана, улуци, водосточни тръби и капачки на билото.

Част II: Лагерна система с пространствена рамка (ядро за прехвърляне на натоварването между горната и долната конструкция)

Лагерите служат като единствени възли за пренос на натоварване между пространствената рамка и бетонната основа; изборът на конструкции с голям обхват трябва да се основава на специфични изисквания за натоварване:

1. Компресионни лагери с плоска плоча: Понасят само вертикална компресия; използва се за опори на ръбове и зони с ниски хоризонтални сили.

2. Еднопосочни/двупосочни плъзгащи лагери: Облекчаване на топлинния стрес и приспособяване на топлинно разширение/свиване; от съществено значение за пространствени рамки с голям обхват.

3. Шарнирни лагери (сферични шарнирни лагери): Позволяват въртене и многопосочно предаване на сила; използвани в ъгли, в зони с големи хоризонтални сили и в зони със строги сеизмични изисквания.

4. Лагери за опън (устойчиви на повдигане лагери): Използват се при стрехи, конзоли и зони, подложени на значително засмукване от вятър, за да се предотврати повдигането на пространствената рамка.

Аксесоари за лагери: Основни плочи, усилващи ребра, анкерни болтове и регулиращи подложки (за нивелиране и регулиране на височината).

Част III: Долна фундаментна система

Изборът се основава на геоложки условия, обхват и класификация на натоварването; преобладаващият избор за конструкции с голям размах е комбинацията купчина плюс купчина капачка:

I. Често срещани типове основи

1. Reinforced concrete isolated footings: Spans of 60–80m, favorable geological conditions, moderate loads.

2. Ивични основи (непрекъснати основи): Удължени пространствени рамки, непрекъснати опори, високи изисквания за съпротивление на хоризонтална сила.

3. Пилотни основи с пилотни шапки (предпочитани за дълги участъци): Разстояния над 80 m, меки почвени основи, големи натоварвания, зони с висока сеизмична интензивност.

o Видове пилоти: сондажни пилоти за отливане на място, сглобяеми тръбни пилоти.

o Капаци на пилоти: Квадратни/правоъгълни стоманобетонни шапки на пилоти (бетон C30/C35).

4. Рафтови основи: Проекти с изключително големи площи, сложни геоложки условия и строги изисквания за контролиране на различното слягане.

II. Основна фундаментна структура и вградени части

1. Якост на бетона: шапки на пилоти/основно тяло на основата C30–C35; залепващ бетон C15;

2. Вградени части на основата:

o Вградени стоманени плочи за опори: Дебелина 16–20 mm, заварени към армировката на пилотната шапка;

o Вградени анкерни болтове: За закрепване на опорите на пространствената рамка; Стоманени болтове Q355, в комплект с гайки и лагерни пластини;

3. Прецизен контрол (Задължителни стандарти за конструкции с голям обхват):

o Отклонение на оста ≤ ±5 mm;

o Отклонение на кота на горната повърхност ≤ ±3 mm;

o Разлика във височината между опорите в рамките на един и същи диапазон ≤ 2 mm.

Част IV: Системи за укрепване и стабилност

Конструкциите от стоманена пространствена рамка с голям обхват включват значителни височини и значителни хоризонтални сили (вятър, сеизмични); цялостна система за стабилност е задължителна:

1. Вътрешни укрепващи елементи на пространствената рамка: Вертикални/диагонални ребрени елементи между горната и долната част (неразделна част от пространствената рамка);

2. Междуколонно укрепване: Напречно укрепване (ъглова стомана или стоманена тръба) между бетонни колони за устояване на надлъжни хоризонтални сили;

3. Хоризонтално укрепване на покрива: Хоризонтални свързващи пръти и диагонални скоби в равнината на горния пояс, образуващи твърда диафрагма на покрива;

4. Пространствени рамки с ръбове и фронтони: Затварят краищата, подобряват цялостната твърдост и издържат на натоварване от вятър;

5. Наколенки/стягащи пръти: Компоненти за странична стабилност за греди (следвайки същата логика като покривите от лека стомана).

Част V: Антикорозионни, противопожарни и мълниезащитни системи

1. Антикорозионни

· Фабрично изработени компоненти: Горещо поцинкован цялостен (дебелина на цинковото покритие ≥85 μm); увеличена дебелина за крайбрежни или химически индустриални зони;

· Заварки на място и заварени зони за ремонт: Абразивно бластиране за отстраняване на ръжда + епоксиден цинков грунд + горно покритие;

· Сферични възли и болтове: Фабрично поцинковани; забранено е рязане на място, което уврежда покритието.

2. Противопожарна защита

· Нанасяне на специализирани огнезащитни покрития (свръхтънки или тънкослойни) в зависимост от пожароустойчивостта на сградата; степен на огнеустойчивост от 1,0 h до 2,0 h;

· Специално внимание към опорите за покритие, вградените части и болтовете. 3. Мълниезащита

·Горната лента на пространствената рамка действа като система за прекъсване на въздуха;

·Проводници надолу, образувани чрез опори, анкерни болтове и укрепване на фундамента;

· Заземителни електроди, монтирани във фундамента и свързани към главната мълниезащитна мрежа на сградата.

Част 6: Монтаж и поддръжка на конструкцията

1. Методи на инсталиране: сглобяване част по част на голяма надморска височина, модулно повдигане, интегрално повдигане, кумулативно плъзгане (основен поток за големи разстояния);

2. Основно оборудване: тотална станция, нивелир, динамометричен ключ, хидравлична повдигаща/плъзгаща система, големи кранове, портални кранове;

3. Помощни материали: Специализирана смазка за високоякостни болтове, уплътнител, подложки, временни носещи рамки, телове.

Пълен списък с компоненти

1. Горна пространствена рамка: Стоманени тръбни елементи + болтови сфери/заварени сфери + високоякостни болтове + конични глави/крайни плочи;

2.Покривна система: Покривни панели + C/Z-греби + изолация и хидроизолация + улуци и водосточни тръби;

3. Носещи опори: Фиксирани/плъзгащи се/сферични/устойчиви на повдигане опори + анкерни болтове + вградени стоманени плочи;

4. Субструктура/Фундация: Изолирани основи/лентови основи/пилотни капачки (арматура + бетон + вградени части);

5. Укрепване на стабилността: укрепване между колони, хоризонтално укрепване на покрива, пространствени рамки с фронтон;

6.Системи за защита: Горещо поцинковане (антикорозия), пожароустойчиви покрития, мълниезащита и заземяване;

7. Спомагателни средства за монтаж: временни опори, подемно оборудване, геодезични инструменти, закрепващ хардуер.

Стандартен лек стоманен покрив срещу конструкция от стоманена пространствена рамка с голям размах

·Стандартен покрив от лека стомана: Основно портални твърди рамки; обхват < 60m; липсва пространствена мрежова система;

· Конструкция на стоманена пространствена рамка с голям обхват: Размах ≥ 60m; пространствена мрежова структура; разчита на интегрално пространствено носещо действие; изискванията за фундаменти, опори и прецизност са значително по-високи от тези за леки стоманени конструкции.

Основни предимства

1. Възможността за изключително голям обхват позволява дизайни без колони, максимизирайки оползотворяването на вътрешното пространство.

2. Триизмерното структурно поведение осигурява балансирано разпределение на натоварването и отлична устойчивост на сеизмични сили и натиск от вятъра.

3. Лек, но твърд; структурата е устойчива на цялостна деформация и провисване.

4. Фабрично сглобяемите компоненти позволяват бързо сглобяване на място.

5. Гъвкавата геометрия поддържа различни форми, включително плоски, извити, сферични и неправилни куполи.

6. Стабилна и издръжлива конструкция; дълъг експлоатационен живот при обработка за устойчивост на корозия.

Отличителни акценти

I. Предимства на структурните характеристики

1. Триизмерно разпределение на натоварването: За разлика от порталните рамки или греди от масивна мрежа (които са обект на огъване и срязване), елементите в пространствена рамка изпитват предимно аксиално напрежение и компресия. Това гарантира ефективно използване на материала и намалено собствено тегло. Натоварванията от изключително големи разстояния се разпределят равномерно между опорите, минимизирайки точковите натоварвания и намалявайки разходите за фундаменти.

2. Силно статично неопределена структура: Предлага значително резервиране на безопасността; провалът на един член няма да доведе до пълен колапс. Той превъзхожда равнинните ферми и порталните рамки при устойчивост на земетресения, вятър, сняг и неравномерно слягане, което го прави идеален за големи обществени сгради като стадиони, навеси за съхранение на въглища и летищни терминали.

3. Големи пространства без колони: Лесно постига чисти разстояния от 60–150 метра. За разлика от това, порталните рамки обикновено имат икономична граница на обхвата от ≤36 метра, а стоманените ферми с голям обхват често не са рентабилни; пространствените рамки осигуряват огромен, безпрепятствен интериор без колони.

II. Акценти на материалите и разходите

1. Намалена консумация на стомана за еквивалентни разстояния

За приложения с големи обхвати потреблението на стомана за единица проектирана площ е по-ниско от това на стоманени ферми или покривни греди с масивна мрежа. Пространствените рамки с болтова топка се възползват от стандартизирано фабрично масово производство и ниски разходи чрез масово доставяне на първични материали (стоманени тръби и стоманени топки).

2. Широка адаптивност при натоварване

Подходящ за широк спектър от приложения, от леки остъклени покриви до тежки навеси за сухи въглища и покриви, носещи оборудване. Изборът на материал може да се регулира гъвкаво, за да се контролират разходите - като се използва стомана Q235 за по-леки товари и Q355 за по-тежки товари.

III. Акценти в производството и преработката

1. Стандартизирани фабрично сглобяеми пространствени рамки с болтова топка: Стоманените тръбни елементи се нарязват на дължина, конусните глави и крайните плочи са предварително сглобени, а стоманените топки се набиват - всичко това в рамките на работилницата - преди да бъдат сортирани и опаковани. Работата на място е ограничена до сглобяване и затягане на високоякостни болтове с минимално необходимо заваряване. За разлика от тях, фермите и твърдите рамки често изискват обширно снаждане и заваряване на място.

2. Висока гъвкавост на компонентите: Една пространствена рамка използва ограничен набор от спецификации на топка, болт и стоманена тръба, осигурявайки висока взаимозаменяемост на частите. Това улеснява масовото производство, управлението на инвентара и бъдещата поддръжка или подмяна.

IV. Разлики в конструкцията и монтажа

1. Гъвкави и разнообразни методи за инсталиране: Различни техники - като сглобяване част по част на височина, повдигане на блокове, интегрално хидравлично повдигане и кумулативно плъзгане - позволяват конструкция в големи разстояния, свръхвисоки или ограничени пространства. Обратно, порталните твърди рамки и ферми са значително ограничени от работните радиуси на крана.

2. Контролируема скорост на строителство: Едновременното фабрично производство и монтаж на място съкращават общия график на проекта. Липсата на обширно заваряване на място намалява необходимостта от откриване на дефекти и антикорозионна преработка.

V. Предимства в покривната и архитектурна форма

1. Висока способност за формоване: Правоъгълни, кръгли, елипсовидни, сферични и двойно извити форми са постижими. Твърдите рамки и плоските ферми се борят да създадат извити покриви с голям обхват, което прави пространствените рамки идеални за структури с уникална форма като изложбени центрове и спортни стадиони.

2. Удобно оформление на покрива: Равномерното, редовно подреждане на възлите на горния пояс улеснява подреденото разполагане на греди, покривни панели и ленти за капандури. Това опростява конструкцията на покривното заграждение и предлага по-голяма гъвкавост при проектирането на дренажни системи и оформления на капандури.

VI. Предимства в издръжливостта: Антикорозионна и противопожарна защита

1. Тънки, еднакви елементи и зряло горещо поцинковане: Стоманените тръби и топки могат да бъдат напълно горещо поцинковани във фабриката без „мъртвите зони“, открити в структурните секции, което води до превъзходно антикорозионно качество в сравнение с твърдите рамки с H-сечение. Това предлага значително предимство в експлоатационния живот в крайбрежни или химически корозивни среди.

2. Лесно нанасяне на огнезащитни покрития: С отделни елементи и управляеми повърхностни площи, нанасянето на тънкослойни огнезащитни покрития е по-ефективно по отношение на материалите и по-бързо от покриването на големи масивни греди и колони.

VII. Акценти на O&M след строителството

1. Лек с ниско натоварване при поддръжка на покрива; просто оформление за пътеки за поддръжка;

2. Ясно структурно поведение; отделни повредени елементи могат да бъдат заменени в определени точки без обширен демонтаж или модификация на покрива, което води до ниски разходи за поддръжка.

VIII. Кратко сравнение с конкурентни системи

1. Портални твърди рамки: Подходящи за малки до средни разстояния; равнинно структурно поведение; разчита на гъвкави елементи; ниска цена; рентабилността спада рязко за участъци над 36 m;

2. Стоманени ферми: Равнинно структурно поведение; слаба странична скованост; високо собствено тегло за големи разстояния; изисква значително заваряване на място;

3. Стоманени пространствени рамки: пространствено структурно поведение; предпочитан избор за свръхголеми разстояния; висока твърдост; гъвкава геометрия; висока граница на безопасност.

Стандартен процес на производство

I. Процес на производство на стоманени топки

1. Рязане и коване: Рязане на кръгли стоманени пръти → Средночестотно нагряване и коване в груби заготовки от стоманени топки;

2. Машинна обработка: Стругово струговане на сферичната повърхност → Многоъглово пробиване на отвори за болтове и нарязване на резба с индексираща бормашина съгласно чертежи;

3. Проверка и NDT: Проверка на резба; тестване с магнитни частици (MPT) за откриване на пукнатини;

4. Антикорозия: Цялостно горещо поцинковане.

Заварени топки: Щамповане на стоманена плоча в две полусфери → Скосяване → Сглобяване на вътрешни усилващи пръстени → Заваряване под флюс за свързване на полусфери → NDT → Шлайфане → Поцинковане.

II. Процес на производство на елемент на пространствена рамка

1. Рязане на стоманени тръби: Рязане на безшевни или заварени тръби с фиксирана дължина с помощта на CNC триони; включена надбавка за свиване при заваряване; плоски крайни повърхности;

2. Изработка на конична глава и крайна плоча: струговане на изковки във форма;

3. Сглобяване и заваряване: Предварително сглобяване на конусни глави/крайни плочи в краищата на тръбите; позициониране чрез инструменти; периферно заваряване с пълно проникване на CO₂;

4. NDT за заваряване: ултразвуково изпитване (UT) за критични елементи с голям обхват; проверки на място за заварки от клас II;

5. Изправяне и отстраняване на ръжда: Изправяне на елементи; бластиране до клас Sa2.5;

6. Антикорозия: Цялостно горещо поцинковане.

III. Обработка на високоякостни болтови възли

1. Рязане на кръгла стомана → Закаляване и темпериране → Външно струговане → Навиване на резба;

2. Изпитване на твърдост, дефектоскопия и горещо поцинковане; едновременна обработка и поцинковане на съвпадащи втулки и фиксиращи винтове.

IV. Фабрично предварително сглобяване

1. Изберете 1–2 стандартни единици за пробен монтаж на приспособление;

2. Проверете подравняването на сферичния отвор, дълбочината на вкарване на болта и общата дължина на елемента;

3. Коригирайте размерите на нестандартните части, за да осигурите гладко сглобяване на място.

V. Опаковка и класификация

Брой компоненти по зони и спецификация; елементи на опаковката, стоманени топки и болтове отделно; маркирайте с номера на осите.

VI. Процедури за сглобяване на място

1. Геодезия и оформление; нивелиране и позициониране на опори;

2. Изпълнение по план за застрояване: монтаж част по част на височина / повдигане на блок / цялостно повдигане;

3. Сглобете първо долните струни и елементи → инсталирайте уеб елементи → сглобете горната струна; затегнете високоякостни болтове клас 10.9, за да проектирате въртящ момент, като използвате динамометричен ключ;

4. Проверка на подпозиция, корекция на антикорозионно покритие на заварки и нанасяне на огнеупорно покритие.

Забележка: Разлики за пространствени рамки със заварени топки

Пълнопроварна заварка на фуги на място; откриване на дефекти за всяко заваряване; няма процес на затягане на болтове с висока якост.

Ключови параметри на ефективността

I. Геометрични спецификации на основните компоненти

1. Стоманени тръбни елементи с пространствена рамка (Q235B/Q355B; Q355B се предпочита за големи разстояния)

Общи диаметри на тръбите × дебелини на стените: φ60×3.5, φ76×4, φ89×4, φ114×4, φ140×6, φ159×8, φ180×10, φ219×10

Дължина на готовия елемент: 1,0m–3,5m (стандартен размер на мрежата: 1,5m–3,0m);

Толеранс на праволинейност при производство: ≤L/1000; отклонение на перпендикулярността на края: ≤0,5 mm.

2. Сфери с болтове

Диаметър на сферата: φ100, φ120, φ140, φ160, φ180, φ200–φ400;

Дебелина на стената: 12–20мм; ъглов толеранс за отвори с резба на повърхността на сферата: ±15′.

3. Свързани крепежни елементи

Високоякостни болтове клас 10.9: M12, M14, M16, M20, M22, M24, M27, M30; аксесоари: ръкави, конични глави, крайни плочи, заключващи винтове.

4. Поддържащи плочи

Дебелина на основната плоча: 16–30 мм; дебелина на усилващата плоча: 12–20 mm; вградени анкерни болтове: Q355.

II. Механични свойства на материала

III. Структурна товароподемност

1. Носещи характеристики: Всички елементи в конструкцията на пространствената стоманена рамка с голям обхват са подложени на аксиално напрежение или компресия; няма огъващи елементи; това е силно статично неопределена структура; провалът на отделни членове не предизвиква цялостен колапс.

2. Типични приложими разстояния

1. Космически рамки с болтова сфера: 12m–80m;

2. Пространствени рамки със заварени сфери: 50m–180m (за ултра-големи разстояния и тежки товари). 3. Типични стойности на натоварване на покрива: Собствено натоварване 0,30–0,80 kN/m²; жив товар 0,5–1,0 kN/m²; тежкотоварни конструкции (напр. навеси за сухи въглища) може да надвишава 2,0 kN/m².

4. Термична деформация: Плъзгащите опори трябва да бъдат монтирани за разстояния, надвишаващи 60 m в една посока, за да се облекчат напреженията при термично разширение/свиване.

IV. Стандарти за откриване на заварки и дефекти

1. Периферни заварки между елементи и конусни глави: Степен II заварки; 100% ултразвуково изпитване (UT) за критични елементи с голям обхват; 20% произволна извадка за стандартни членове.

2. Челни заварки за заварени сфери: Степен II заварки; 100% откриване на дефекти за критични проекти.

V. Антикорозионни параметри

1. Фабрично готови продукти: Горещо поцинковане; дебелина на цинковото покритие ≥85 μm (≥120 μm за крайбрежни корозивни зони).

2. Ремонт на място на повредени участъци: Пясъкоструене до клас Sa2.5 → епоксиден цинков грунд + междинно покритие + горно покритие; обща дебелина на сухия филм ≥120 μm.

VI. Параметри на противопожарната защита

За обществени сгради и промишлени предприятия нанесете тънкослойни или ултратънкослойни набъбващи огнезащитни покрития въз основа на изискваната степен на пожар (граници на огнеустойчивост от 0,5h, 1,0h, 1,5h или 2,0h); дебелината на покритието трябва да отговаря на съответните стандарти.

VII. Параметри за контрол на инсталацията

1. Отклонение на опорната ос ≤±5 mm; височина на горната повърхност на опората ≤±3 mm; денивелация между съседни опори ≤2 mm.

2. Окончателният въртящ момент на затягане на болта с висока якост трябва стриктно да спазва определените стойности; дълбочината на зацепване на резбата трябва да съответства на проектните чертежи.

VIII. Референтна консумация на стомана (на проектирана площ)

Леки дневни покриви: 12–22 kg/m²

Стандартни промишлени предприятия и места: 22–35 kg/m²

Тежкотоварни сухи въглищни навеси и покриви, поддържащи тежко оборудване: 35–60 kg/m²