Stort spænd i stål rumrammestruktur

Grundlæggende produktdefinitioner

1. Generel definition

I overensstemmelse med standarden for design af stålkonstruktioner (GB 50017) klassificeres rumlige tagkonstruktioner med et spænd på 60 meter eller mere som rumrammekonstruktioner af stål med store spændvidder. De er samlet af stålrørelementer og kugleformede samlinger til geometriske systemer såsom firkantede eller trekantede pyramider. Disse er meget statisk ubestemte rumlige systemer, hvor belastninger er fordelt globalt, og elementer primært undergår aksial spænding eller kompression. De tilbyder høj samlet stivhed og skaber søjlefri, åbne rum, hvilket gør dem ideelle til stadioner, udstillingscentre, højhastighedstogstationer, kullagerskure, lufthavnsterminaler og meget mere.

2. Specifik definition: Space Frame Foundation (Support Foundation)

Rumrammefundamentet er den underkonstruktion - typisk beton eller pælebaseret - der understøtter rumrammelejerne og overfører alle belastninger fra overbygningen (aksiale kræfter, forskydningskræfter, bøjningsmomenter, vandrette kræfter og seismiske kræfter) til jorden; den tjener som den strukturelle base for rumrammen.

· Strukturelle egenskaber: Udsat for lodret tryk, vandret tryk, løftekræfter og drejningsmoment; kræver ekstrem høj præcision med hensyn til sætning, elevation og placering af indlejrede dele.

· Nøglekontrolpunkter: Differensialsætning kan direkte forårsage revner i rumrammesamlinger og elementustabilitet, hvilket gør det til en kritisk faktor for succes eller fiasko for rumrammer med stort spændvidde.

3. Distinktion af Common Space Frame-terminologi

· Space Frame Body: Den øvre rumlige gitterstruktur (elementer + sfæriske samlinger);

· Rumrammeleje: Den lastoverførende komponent, der forbinder rumrammen med fundamentet;

· Space Frame Foundation: Den forstærkede betonkonstruktion, pælehætten eller det isolerede fundament placeret under lejet.

Komplet systemkonfiguration

Del 1: Øvre rumrammehovedsystem (primær bærende struktur)

1. Strukturelt system (mainstream-optioner)

· Ortogonal Square Pyramid Space Frame: Mest udbredt; tilbyder ensartet stivhed og bekvem tagmontering; foretrukne valg til rektangulære fodspor.

· Diagonal Square Pyramid Space Frame: Overlegen strukturel ydeevne og lidt lavere stålforbrug; velegnet til mellemstore til store spænd.

· Trekantet Pyramid Space Frame: Høj rumlig stabilitet; velegnet til cirkulære eller polygonale fodspor.

· Space Frame med svejset kugle: Velegnet til tunge belastninger, ultra-store spændvidder (over 80 m), tunge tagsystemer og forhold med høj belastning.

· Bolted-Ball Space Frame: Velegnet til lettere belastninger og standard store spændvidder; byder på fabrikspræfabrikation, montage på stedet og hurtig konstruktion.

2. Hovedmaterialekonfiguration (standardspecifikationer)

· Medlemmer: Sømløse stålrør eller svejsede rør med lige søm; Materiale: Q355B (mainstream for store spændvidder); Fælles specifikationer: Φ114×4, Φ140×6, Φ159×8, Φ219×10; Q235B kan bruges til mindre spændvidder.

· Ledbolde:

o Bolted Balls: Φ200–Φ400; vægtykkelse ≥12mm; Materiale: Q355B.

o Svejste kugler: Φ250–Φ500; vægtykkelse ≥14mm; omfatter indvendige afstivningsribber.

· Forbindelser: Grade 10.9 højstyrkebolte (specialiseret til rumrammer); inkluderer matchende koniske hoveder, endeplader, muffer og fastgørelsesskruer.

3. Tagdækning og indkapslingskomponenter (komplet tagdækningssystem)

· Tagpaneler: Aluminium-magnesium-manganpaneler med stående søm, profilerede stålplader i farve og dagslyspaneler (lokaliseret).

· Sekundær tagkonstruktion: C/Z-sektions stålprofiler (Q355B varmgalvaniseret, belægningstykkelse ≥80μm), tagstrækstænger og stivere.

· Vandtætning og isolering: Stenulds- eller glasuldsisoleringslag, vandtæt åndbar membran, tagrender, nedløbsrør og rygkapper.

Del II: Rumrammelejesystem (kerne til lastoverførsel mellem øvre og nedre strukturer)

Lejer tjener som de eneste belastningsoverførselsknuder mellem rumrammen og betonfundamentet; udvælgelse til konstruktioner med lang spændvidde skal baseres på specifikke belastningskrav:

1. Fladplade kompressionslejer: Udfør kun lodret kompression; bruges til kantstøtter og områder med lave vandrette kræfter.

2. Ensrettet/tovejs glidelejer: Aflast termisk spænding og imødekommer termisk udvidelse/sammentrækning; afgørende for rumrammer med lang spændvidde.

3. Hængslede lejer (sfæriske hængslede lejer): Tillad rotation og kraftoverførsel i flere retninger; bruges i hjørner, i områder med høje vandrette kræfter og i zoner med strenge seismiske krav.

4. Træklejer (hæve-modstandsdygtige lejer): Anvendes ved udhæng, udhæng og områder, der er udsat for betydelig vindsugning for at forhindre rumrammen i at løfte sig.

Lejetilbehør: Bundplader, afstivningsribber, ankerbolte og justeringsshims (til nivellering og højdejustering).

Del III: Nedre fundamentsystem

Udvælgelsen er baseret på geologiske forhold, spændvidde og belastningsklassificering; det fremherskende valg for strukturer med lang spændvidde er kombinationen pæl-plus-pæl-hætte:

I. Almindelige Fundamenttyper

1. Armeret beton isoleret fundament: Spændvidder på 60-80m, gunstige geologiske forhold, moderate belastninger.

2. Stripfundamenter (kontinuerlige fundamenter): Aflange rumrammer, kontinuerlige understøtninger, høje krav til vandret kraftmodstand.

3. Pælefundamenter med pælehætter (foretrukket til lange spændvidder): Spændvidder på over 80 m, blødt jordfundament, tunge belastninger, zoner med høj seismisk intensitet.

o Pæletyper: Borede pladsstøbte pæle, præfabrikerede rørpæle.

o Pælehætter: Firkantede/rektangulære pælehætter af armeret beton (C30/C35 beton).

4. Flådefundamenter: Projekter med ekstremt store overfladearealer, komplekse geologiske forhold og strenge krav til styring af differentialsætning.

II. Kernefundamentstruktur og indlejrede dele

1. Betonstyrke: Pælehætter/fundamentets hoveddel C30–C35; blændende beton C15;

2. Grundlæggende indlejrede dele:

o Indstøbte stålplader til understøtninger: Tykkelse 16–20 mm, svejset til pælehætteforstærkning;

o Indlejrede ankerbolte: For at sikre rumrammestøtter; Q355 stålbolte, komplet med møtrikker og lejeplader;

3. Præcisionskontrol (obligatoriske standarder for strukturer med store spændvidder):

o Akseafvigelse ≤ ±5 mm;

o Højdeafvigelse over overfladen ≤ ±3 mm;

o Højdeforskel mellem understøtninger inden for samme spændvidde ≤ 2 mm.

Del IV: Afstivnings- og stabilitetssystemer

Rumrammekonstruktioner i stål med stor spændvidde involverer betydelige højder og betydelige vandrette kræfter (vind, seismisk); et omfattende stabilitetssystem er obligatorisk:

1. Indvendige rumrammeafstivningselementer: Lodrette/diagonale baneelementer mellem de øverste og nederste korder (integreret med mellemrumsrammen);

2. Mellemsøjleafstivning: Tværafstivning (vinkelstål eller stålrør) mellem betonsøjler for at modstå langsgående vandrette kræfter;

3. Tags horisontale afstivninger: Vandrette trækstænger og diagonale afstivninger inden for planet af den øverste korde, der danner en stiv tagmembran;

4. Mellemrumsrammer med udhæng og gavl: Luk ender af, forøg den generelle stivhed og modstår vindbelastninger;

5. Knæbøjler/trækstænger: Sidestabilitetskomponenter til riller (følger samme logik som tagdækning af let stål).

Del V: Anti-korrosions-, brandbeskyttelses- og lynbeskyttelsessystemer

1. Anti-korrosion

· Fabriksfremstillede komponenter: Varmgalvaniseret helhed (zinkbelægningstykkelse ≥85 μm); øget tykkelse for kystnære eller kemiske industrizoner;

· Svejsninger på stedet og reparationssvejsede områder: Slibeblæsning til rustfjernelse + epoxy-zinkrig primer + topcoat;

· Sfæriske noder og bolte: Fabriksgalvaniseret; skæring på stedet, der beskadiger belægningen, er forbudt.

2. Brandsikring

· Påføring af specialiserede brandhæmmende belægninger (ultratynde eller tyndfilmstyper) baseret på bygningens brandklassificering; brandmodstandsevne på 1,0 timer til 2,0 timer;

· Særlig opmærksomhed på belægningsstøtter, indlejrede dele og bolte. 3. Lynbeskyttelse

·Top akkord af rumrammen fungerer som luftafslutningssystem;

·Nedledere dannet via understøtninger, ankerbolte og fundamentforstærkning;

·Jordingselektroder installeret i fundamentet og forbundet til bygningens primære lynbeskyttelsesnetværk.

Del 6: Installation og konstruktionsstøtte

1.Installationsmetoder: Montering stykke-for-stykke i stor højde, modulopbygget hejsning, integreret løft, kumulativ glidning (mainstream for store spændvidder);

2.Kerneudstyr: Totalstation, niveau, momentnøgle, hydraulisk løfte-/glidesystem, store kraner, portalkraner;

3. Hjælpematerialer: Specialsmøremiddel til højstyrke bolte, tætningsmasse, shims, midlertidige støtterammer, fyretråde.

Komplet komponentliste

1. Øvre rumramme: Stålrørselementer + boltede kugler/svejsede kugler + højstyrkebolte + koniske hoveder/endeplader;

2.Tagsystem: Tagplader + C/Z-garn + isolering & vandtætning + tagrender & nedløbsrør;

3. Bærende understøtninger: Faste/glidende/sfæriske/løftebestandige understøtninger + ankerbolte + indstøbte stålplader;

4.Underkonstruktion/Fundament: Isolerede fodfæste/strimmelfundamenter/pælehætter (armeringsjern + beton + indstøbte dele);

5. Stabilitetsafstivning: Inter-søjleafstivning, vandret tagafstivning, gavlende rumrammer;

6. Beskyttelsessystemer: Varmgalvanisering (anti-korrosion), brandsikre belægninger, lynbeskyttelse og jordforbindelse;

7. Installationshjælpemidler: Midlertidige understøtninger, hejseudstyr, opmålingsinstrumenter, fastgørelsesudstyr.

Standard Light Steel Roof vs. Large Span Steel Space Frame Structure

·Standard let ståltag: Primært portalstive rammer; spændvidde < 60m; mangler et rumligt gittersystem;

·Stålrumsramme med stort spændvidde: Spændvidde ≥ 60m; rumlig gitterstruktur; relies on integral spatial load-bearing action; krav til fundamenter, understøtninger og præcision er væsentligt højere end til lette stålkonstruktioner.

Kerne fordele

1. Ekstra stor spændvidde giver mulighed for søjlefri design, hvilket maksimerer den indvendige pladsudnyttelse.

2. Tredimensionel strukturel adfærd sikrer afbalanceret belastningsfordeling og fremragende modstand mod seismiske kræfter og vindtryk.

3. Let, men alligevel stiv; strukturen modstår generel deformation og nedbøjning.

4. Fabrikspræfabrikerede komponenter giver mulighed for hurtig montering på stedet.

5. Fleksibel geometri understøtter forskellige former, herunder flade, buede, sfæriske og uregelmæssige kupler.

6. Stabil og holdbar struktur; lang levetid, når den behandles for korrosionsbestandighed.

Differentierende højdepunkter

I. Strukturelle præstationsfordele

1. Tredimensionel belastningsfordeling: I modsætning til portalrammer eller massive vævsbjælker (som er udsat for bøjning og forskydning), oplever elementerne i en rumramme primært aksial spænding og kompression. Dette sikrer effektiv materialeudnyttelse og reduceret egenvægt. Belastninger fra ekstra store spænd er jævnt fordelt over understøtninger, hvilket minimerer punktbelastninger og reducerer funderingsomkostninger.

2. Meget statisk ubestemmelig struktur: Tilbyder betydelig sikkerhedsredundans; svigt af et enkelt medlem vil ikke forårsage totalt sammenbrud. Den udkonkurrerer plane spær og portalrammer i at modstå jordskælv, vind, sne og ujævn bebyggelse, hvilket gør den ideel til større offentlige bygninger såsom stadioner, kullager og lufthavnsterminaler.

3. Søjlefri store rum: Opnår nemt klare spændvidder på 60-150 meter. I modsætning hertil har portalrammer typisk en økonomisk spændvidde på ≤36 meter, og stålspær med stor spændvidde mangler ofte omkostningseffektivitet; rumrammer giver store, uhindrede, søjlefrie interiører.

II. Materiale og omkostningshøjdepunkter

1. Reduceret stålforbrug for tilsvarende spændvidder

For anvendelser med store spændvidder er stålforbruget pr. projiceret arealenhed lavere end for stålspær eller tagbjælker med massivt net. Bolte-kugle rumrammer nyder godt af standardiseret fabriksmasseproduktion og lave omkostninger gennem bulk indkøb af primære materialer (stålrør og stålkugler).

2. Bred belastningstilpasningsevne

Velegnet til en lang række anvendelser, fra letvægtsglastage til kraftige tørre kulskure og udstyrsbærende tage. Materialevalg kan justeres fleksibelt for at kontrollere omkostningerne – ved hjælp af Q235 stål til lettere belastninger og Q355 til tungere belastninger.

III. Højdepunkter i produktion og forarbejdning

1. Standardiserede fabrikspræfabrikerede rumrammer med boltet kugle: Stålrørselementer skæres i længden, keglehoveder og endeplader er formonteret, og stålkugler tappes – alt sammen på værkstedet – før de sorteres og pakkes. Arbejdet på stedet er begrænset til montering og tilspænding af højstyrkebolte, med minimal svejsning påkrævet. I modsætning hertil kræver spær og stive rammer ofte omfattende splejsning og svejsning på stedet.

2. Høj komponent alsidighed: En enkelt rumramme anvender et begrænset udvalg af kugle-, bolt- og stålrørsspecifikationer, hvilket sikrer høj udskiftelighed af dele. Dette letter masseproduktion, lagerstyring og fremtidig vedligeholdelse eller udskiftning.

IV. Konstruktions- og installationsforskelle

1. Fleksible og forskelligartede installationsmetoder: Forskellige teknikker - såsom stykke-for-stykke samling i højden, blokløft, integreret hydraulisk løft og kumulativ glidning - muliggør konstruktion i store spændvidder, ultrahøje eller begrænsede rum. Omvendt er stive portalrammer og spær betydeligt begrænset af krandriftsradier.

2. Kontrollerbar konstruktionshastighed: Samtidig fabriksfremstilling og montering på stedet forkorter den overordnede projektplan. Fraværet af omfattende svejsning på stedet reducerer behovet for fejldetektion og anti-korrosionsbearbejdning.

V. Fordele i tagdækning og arkitektonisk form

1. Høj formbarhed: Rektangulære, cirkulære, elliptiske, sfæriske og dobbelt buede former er alle mulige. Stive rammer og plane spær har svært ved at skabe buede tage med stor spændvidde, hvilket gør rumrammer ideelle til unikt formede strukturer som udstillingscentre og sportsstadioner.

2. Praktisk taglayout: Det ensartede, regelmæssige arrangement af øvre akkordknuder letter den velordnede placering af riller, tagpaneler og ovenlyslister. Dette forenkler konstruktionen af ​​tagindkapsling og giver større fleksibilitet i design af drænsystemer og ovenlyslayout.

VI. Fordele i holdbarhed: Anti-korrosion og brandbeskyttelse

1. Slanke, ensartede medlemmer og moden varmgalvanisering: Stålrør og -kugler kan varmegalvaniseres fuldt ud på fabrikken uden de "døde zoner", der findes i strukturelle sektioner, hvilket resulterer i overlegen anti-korrosionskvalitet sammenlignet med H-sektions stive rammer. Dette giver en klar levetidsfordel i kystnære eller kemisk korrosive miljøer.

2. Nem påføring af brandhæmmende belægninger: Med diskrete elementer og håndterbare overfladeområder er påføringen af ​​tyndfilms brandhæmmende belægninger mere materialeeffektiv og hurtigere end belægning af store bjælker og søjler med massivt væv.

VII. Højdepunkter i Post-Construction O&M

1. Letvægts med lav tagvedligeholdelsesbelastning; enkelt layout til vedligeholdelsesgange;

2. Klar strukturel adfærd; individuelle beskadigede elementer kan udskiftes på bestemte punkter uden omfattende demontering eller modifikation af taget, hvilket resulterer i lave vedligeholdelsesomkostninger.

VIII. Kort sammenligning med konkurrerende systemer

1. Portal stive rammer: Velegnet til små til mellemstore spænd; plan strukturel adfærd; er afhængig af bøjelige elementer; lave omkostninger; omkostningseffektiviteten falder kraftigt for spændvidder på over 36m;

2. Stålspær: Plan strukturel adfærd; svag lateral stivhed; høj egenvægt til store spændvidder; kræver betydelig svejsning på stedet;

3. Stålrumsrammer: Rumlig strukturel adfærd; foretrukket valg til ultra-store spændvidder; høj stivhed; fleksibel geometri; høj sikkerhedsmargin.

Standard fremstillingsproces

I. Fremstillingsproces for stålkugler

1. Skæring og smedning: Savning af rund stålstang → Mellemfrekvent opvarmning og smedning til rå stålkugleemner;

2. Bearbejdning: Drejebænkedrejning af den kugleformede overflade → Flervinkelboring af boltehuller og anboring med en indekseringsboremaskine iht. tegninger;

3. Inspektion og NDT: Gevindinspektion; magnetisk partikeltestning (MPT) for at opdage revner;

4. Anti-korrosion: Overordnet varmgalvanisering.

Svejste kugler: Stempling af stålplade i to halvkugler → Affasning → Samling af indvendige ringafstivninger → Nedsænket buesvejsning for at forbinde halvkugler → NDT → Slibning → Galvanisering.

II. Fremstillingsproces for rumrammeelementer

1. Skæring af stålrør: Skæring i fast længde af sømløse eller svejste rør ved hjælp af CNC-save; godtgørelse for svejsekrympning inkluderet; flade endeflader;

2. Fremstilling af keglehoved og endeplade: Drejning af smedegods til form;

3. Montering og svejsning: Formontering af keglehoveder/endeplader ved rørender; positionering via værktøj; fuld-penetration CO₂ periferisk svejsning;

4. Svejse-NDT: Ultralydstestning (UT) for kritiske medlemmer med stort spændvidde; stikprøvekontrol for grad II svejsninger;

5. Opretning og rustfjernelse: Opretning af elementer; sprængning til Sa2.5 kvalitet;

6. Anti-korrosion: Overordnet varmgalvanisering.

III. Forarbejdning af højstyrke boltsamlinger

1. Rundstålsskæring → Bratkøling og hærdning → Udvendig drejning → Gevindrulning;

2. Hårdhedstestning, fejldetektion og varmgalvanisering; samtidig bearbejdning og galvanisering af matchende muffer og sætskruer.

IV. Fabriksformontering

1. Vælg 1–2 standardenheder til prøvesamling på en jig;

2. Bekræft kuglehulsjusteringen, boltens indføringsdybde og den samlede elementlængde;

3. Juster dimensioner af ikke-standarddele for at sikre en jævn montering på stedet.

V. Emballering og klassificering

Nummer komponenter efter zone og specifikation; pakkeelementer, stålkugler og bolte separat; markere med aksenumre.

VI. Monteringsprocedurer på stedet

1. Opmåling og layout; nivellering og positionering af understøtninger;

2. Udførelse baseret på byggeplanen: styk-for-styk montage i højden / blokløft / integreret løft;

3. Saml de nederste akkordkugler og -elementer først → installer webelementer → saml den øverste akkord; spænd klasse 10.9 højstyrkebolte for at designe moment ved hjælp af en momentnøgle;

4. Undervareinspektion, efterbehandling af korrosionsbeskyttende belægning på svejsninger og påføring af brandsikker belægning.

Bemærk: Forskelle for rumrammer med svejset kugle

Fuld penetration svejsning af samlinger på stedet; fejldetektion for hver svejsegennemgang; ingen højstyrke bolt tilspænding proces.

Nøgleydelsesparametre

I. Geometriske specifikationer af hovedkomponenter

1. Space Frame Steel Tubular Members (Q235B/Q355B; Q355B foretrækkes til store spændvidder)

Almindelige rørdiametre × vægtykkelser: φ60×3,5, φ76×4, φ89×4, φ114×4, φ140×6, φ159×8, φ180×10, φ219×10

Færdig elementlængde: 1,0 m–3,5 m (standard gitterstørrelse: 1,5 m–3,0 m);

Produktionstolerance for ligehed: ≤L/1000; endeflade vinkelret afvigelse: ≤0,5 mm.

2. Boltede kugler

Kuglediameter: φ100, φ120, φ140, φ160, φ180, φ200–φ400;

Vægtykkelse: 12–20 mm; vinkeltolerance for gevindhuller på kugleoverfladen: ±15′.

3. Tilknyttede Fasteners

Grade 10.9 højstyrkebolte: M12, M14, M16, M20, M22, M24, M27, M30; tilbehør: ærmer, koniske hoveder, endeplader, låsesætskruer.

4. Støtteplader

Grundpladetykkelse: 16–30 mm; afstivningspladetykkelse: 12–20 mm; indlejrede ankerbolte: Q355.

II. Materiale mekaniske egenskaber

III. Strukturel lastbærende ydeevne

1. Bærende egenskaber: Alle elementer i den store spændvidde stålrumrammestruktur er udsat for aksial spænding eller kompression; der er ingen bøjelige elementer; det er en meget statisk ubestemt struktur; svigt af individuelle medlemmer udløser ikke samlet kollaps.

2. Typiske anvendelige spændvidder

1. Bolte-sfære rumrammer: 12m–80m;

2. Rumrammer med svejsede kugler: 50m–180m (til ultra-store spændvidder og tunge belastninger). 3. Typiske tagbelastningsværdier: Egenlast 0,30–0,80 kN/m²; levende belastning 0,5–1,0 kN/m²; kraftige strukturer (f.eks. tørre kulskure) kan overstige 2,0 kN/m².

4. Termisk deformation: Glidende understøtninger skal installeres for spændvidder på over 60 m i en enkelt retning for at aflaste termiske ekspansions-/sammentrækningsspændinger.

IV. Svejse- og fejldetektionsstandarder

1. Periferiske svejsninger mellem elementer og keglehoveder: Grade II svejsninger; 100 % ultralydstestning (UT) for kritiske langtidsholdbare medlemmer; 20 % stikprøveudtagning for standardmedlemmer.

2. Stumsvejsninger til svejsede kugler: Grade II svejsninger; 100 % fejldetektion til kritiske projekter.

V. Anti-korrosionsparametre

1. Fabriksfremstillede produkter: Varmgalvanisering; zinkbelægningstykkelse ≥85 μm (≥120 μm for kystætsende zoner).

2. Reparation på stedet af beskadigede områder: Sandblæsning til Sa2.5 kvalitet → epoxy zink-rig grunder + mellemlag + topcoat; total tørfilmtykkelse ≥120 μm.

VI. Brandbeskyttelsesparametre

Til offentlige bygninger og industrianlæg påføres tyndfilm eller ultratyndfilm opsvulmende brandhæmmende belægninger baseret på den påkrævede brandklassificering (brandmodstandsgrænser på 0,5 timer, 1,0 timer, 1,5 timer eller 2,0 timer); belægningstykkelse skal overholde relevante standarder.

VII. Installationskontrolparametre

1. Støtteakseafvigelse ≤±5 mm; understøtningsoverfladehøjde ≤±3 mm; højdeforskel mellem tilstødende understøtninger ≤2 mm.

2. Højstyrkeboltens endelige tilspændingsmoment skal nøje overholde specificerede værdier; gevindindgrebsdybde skal være i overensstemmelse med designtegninger.

VIII. Referencestålforbrug (pr. projekteret område)

Letvægts dagslystage: 12–22 kg/m²

Standard industrielle anlæg og spillesteder: 22–35 kg/m²

Kraftige tørre kulskure og tage, der understøtter tungt udstyr: 35–60 kg/m²