Thiết kế kết cấu giàn ống thép nhịp lớn

Trong kết cấu thép nhịp lớn, các điểm đỡ của kết cấu thép càng phân tán, những hạn chế về bố cục phẳng và kết hợp không gian càng lớn; ngược lại, các điểm đỡ của kết cấu thép càng tập trung, tính linh hoạt càng lớn. Bài viết này phân tích các loại kết cấu thép nhịp lớn khác nhau và khám phá hệ thống kết cấu của chúng để cung cấp những hiểu biết sâu sắc và nguồn cảm hứng cho các đồng nghiệp trong lĩnh vực này..

2. Các dạng kết cấu chính của kết cấu thép nhịp lớn

Một. Cấu trúc vỏ lưới

Cấu trúc lưới bề mặt cong được gọi là cấu trúc vỏ lưới, có thể được chia thành vỏ lưới một lớp và hai lớp. Vật liệu làm vỏ lưới bao gồm vỏ lưới thép, vỏ lưới gỗ, và vỏ lưới bê tông cốt thép. Các dạng cấu trúc chính bao gồm vỏ lưới hình cầu, vỏ lưới hyperbol, vỏ lưới hình trụ, và vỏ lưới paraboloid hyperbol.

Kết cấu vỏ dạng lưới kết hợp các đặc điểm chính của hệ thanh và kết cấu vỏ mỏng. Các thanh tương đối đơn giản, và sự phân bố lực lượng hợp lý. Chúng có độ cứng cao và khả năng kéo dài, cho phép các thành phần nhỏ được lắp ráp thành không gian lớn. Các thành phần nhỏ và nút kết nối có thể được chế tạo sẵn tại nhà máy. Lắp đặt thuận tiện và không cần máy móc lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho các chỉ số kinh tế toàn diện. Các cấu trúc có tính linh hoạt trong thiết kế, đáp ứng nhiều phương án kiến trúc và hình dạng không gian theo nhu cầu sáng tạo.

b. Cấu trúc khung không gian

Cấu trúc khung không gian là cấu trúc không gian gồm nhiều thanh nối với nhau tại các nút theo một mô hình hình học nhất định. Khi các cấu trúc như vậy được hình thành với hai hoặc nhiều lớp, chúng được gọi là khung không gian. Thường được làm bằng ống thép hoặc vật liệu thép tiết diện, các hình thức chính bao gồm:

Khung không gian bao gồm các hệ thống giàn phẳng.
Khung không gian bao gồm các kim tự tháp tứ giác.
Khung không gian bao gồm các kim tự tháp hình tam giác.
Khung không gian bao gồm các kim tự tháp lục giác.

Đặc điểm chính của khung không gian là không gian làm việc, đường truyền lực đơn giản, trọng lượng nhẹ, độ cứng cao, hiệu suất địa chấn tốt, và dễ dàng xây dựng và lắp đặt. Các thanh và nút có thể được tiêu chuẩn hóa và thương mại hóa, cho phép sản xuất hàng loạt tại các nhà máy, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất. Bố cục phẳng của khung không gian linh hoạt, và mái bằng thuận lợi cho việc lắp đặt trần và thiết lập thiết bị. Ngoài ra, khung không gian có tính thẩm mỹ, nhẹ, và thanh lịch, làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng kiến trúc và trang trí.

c. Cấu trúc màng

Cấu trúc màng, còn được gọi là cấu trúc vải, là một dạng cấu trúc không gian nhịp lớn mới được phát triển vào giữa thế kỷ 20. Sử dụng vải linh hoạt hiệu suất cao, màng được hỗ trợ bởi áp suất không khí bên trong, hoặc bằng cáp thép mềm hoặc các giá đỡ cứng, tạo ra một lớp màng dự ứng lực có độ cứng nhất định có khả năng bao phủ những không gian rộng lớn. Các dạng cấu trúc chính bao gồm các cấu trúc màng được hỗ trợ bằng không khí, cấu trúc màng kéo, và cấu trúc màng được hỗ trợ bằng khung.

Đặc điểm chính của cấu trúc màng là trọng lượng nhẹ, nhịp lớn, hình khối kiến trúc đa dạng, xây dựng thuận tiện, nền kinh tế tốt, độ an toàn cao, truyền ánh sáng tốt, và đặc tính tự làm sạch. Tuy nhiên, độ bền của chúng tương đối kém.

d. Cấu trúc dây văng

Kết cấu dây văng sử dụng cáp kéo làm thành phần chịu lực chính, sắp xếp theo mẫu cụ thể. Kết cấu mái dây văng thường bao gồm hệ thống cáp, hệ thống mái nhà, và hệ thống hỗ trợ. Các dạng cấu trúc chính bao gồm:

Kết cấu dây văng một lớp một chiều.
Kết cấu dây văng một lớp hướng tâm.
Kết cấu dây văng một lớp hai chiều.
Kết cấu dây văng dự ứng lực hai lớp một chiều.
Kết cấu dây văng dự ứng lực hướng tâm.
Kết cấu dây văng dự ứng lực hai lớp hai chiều.
Kết cấu lưới cáp dự ứng lực.

Đặc tính lực của kết cấu dây văng liên quan đến việc chống lại tải trọng bên ngoài thông qua lực căng dọc trục của cáp, không tạo ra mômen uốn và lực cắt. Điều này tận dụng tối đa sức mạnh của thép. Kết cấu dây văng có hình dạng linh hoạt, linh hoạt trong sắp xếp, và thích ứng với các bố cục kiến trúc khác nhau. Do trọng lượng nhẹ của cáp thép, kết cấu mái nhà tương đối nhẹ, và lắp đặt không cần thiết bị nâng lớn. Tuy nhiên, lý thuyết phân tích và thiết kế kết cấu dây văng phức tạp hơn so với kết cấu thông thường, hạn chế ứng dụng rộng rãi của họ.

e. Cấu trúc vỏ mỏng

Cấu trúc vỏ trong kỹ thuật kiến trúc thường là cấu trúc vỏ mỏng (về mặt kỹ thuật được định nghĩa là vỏ có t/R ≤ 1/20). Cấu trúc vỏ mỏng có thể được phân loại theo sự hình thành bề mặt của chúng thành vỏ quay và vỏ tịnh tiến, và bằng vật liệu xây dựng thành lớp vỏ mỏng bê tông cốt thép, vỏ gạch mỏng, vỏ thép mỏng, và vỏ mỏng bằng vật liệu composite.

Cấu trúc vỏ có hiệu suất chịu tải tuyệt vời, có khả năng chịu tải trọng đáng kể với độ dày vỏ rất mỏng. Độ bền và độ cứng của kết cấu vỏ chủ yếu xuất phát từ hình dạng hình học của chúng, thay thế nội lực uốn cong bằng lực nén trực tiếp, từ đó tận dụng tối đa tiềm năng của vật liệu. Như vậy, kết cấu vỏ là dạng kết cấu có tính kinh tế cao và hợp lý với cường độ cao, độ cứng cao, và hiệu quả vật chất.