拱形钢桁架结构（拱形钢桁架结构的经济效益分析）

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拱形钢桁架结构是一种广泛应用于桥梁建设的结构形式，它以独特的力学性能和经济效益而著称。本文旨在分析拱形钢桁架结构的经济效益，包括其材料成本、施工周期、维护费用以及潜在的经济价值。通过对比传统梁式桥和拱形桥的造价，发现拱形钢桁架结构在材料使用上更为经济，尤其是在跨度较大时。施工周期方面，拱形钢桁架结构由于其自重轻、施工简便的特点，通常比传统梁式桥更快完成建造。拱形结构在长期运营中具有较低的维护成本，减少了维护和修复的频率及费用。从经济角度考虑，拱形钢桁架结构因其较高的承载能力和良好的抗震性能，可能带来更高的投资回报。综合以上因素，拱形钢桁架结构在经济效益上表现出色，是值得推广的一种桥梁结构形式。

一、拱形钢桁架结构的概念与组成

概念：拱形钢桁架结构是一种结合了拱形结构和桁架结构特点的结构形式。拱形结构可利用其曲线拱轴将外荷载产生的弯矩转化成轴向压力，提高结构效率；桁架结构由杆件在两端用铰链连接而成，杆件主要承受轴向拉力或压力，能使材料得到充分利用。二者结合后的拱形钢桁架结构具有跨越能力强、承载力高等优点。
组成部分：
- 钢材构件：钢材是拱形钢桁架常采用的主要构件材料，具有高强度、耐腐蚀等优点，像主梁、次梁等构件都是由钢材制成的。这些构件通过合理的设计和制作，按照设计图纸要求在工厂或者现场制作成型，用于构建拱形钢桁架的整体框架结构。
- 连接部件：包括螺栓、螺母和扣件等。螺栓和螺母用于连接钢构件，需要具备足够的强度和抗腐蚀性能；扣件用于连接钢构件，要符合相关标准，具备良好的连接性能和耐久性，它们的作用是确保各个钢构件连接牢固，形成稳定的结构体系。

二、拱形钢桁架结构的施工

施工步骤：
1. 基础施工：根据设计要求在地面挖掘基础坑，进行土方整平工作，然后在基础坑中浇筑混凝土基础，并按照设计要求进行加固和抗震处理，等待混凝土基础养护结束后再进行下一步施工准备工作。
2. 钢构件制作和安装：
  - 按照设计图纸制作拱形桁架的钢构件，如主梁、次梁等。对于大型的拱形桁架，为减少高空作业风险，需要在地面上进行钢构件的预装和拼装。
  - 使用起重设备将预装好的钢构件吊装到基础上，按照设计要求采用螺栓、扣件等进行连接，确保连接牢固。
3. 梁柱节点处理：根据设计要求对拱形桁架的梁柱节点进行混凝土加固处理，钢构件与混凝土之间的连接处采用专用连接件固定，以确保安全性和稳定性。
4. 完工验收：完成拱形桁架的主体施工后，进行验收和检测工作，确保结构的安全性。对拱形桁架进行必要的防腐、防锈处理，延长其使用寿命，并且施工方案要详细记录，以备日后维护和改进参考。
施工注意事项：
- 安全方面：施工期间严格遵守安全操作规程，保障施工人员安全。在进行高空作业时，配备安全绳和安全带等防护设备，并遵守相关操作规程。
- 后期维护：拱形桁架竣工后，定期进行维护和检测，及时发现和处理可能存在的问题。

三、拱形钢桁架结构的特点

力学性能方面：
- 受力合理：拱以其独特的曲线形式实现弯矩向轴力的转化，桁架通过格构方式将弯矩转化为杆件的轴力，二者结合后的拱形钢桁架受力更为合理。在大跨度建筑中，相比实腹梁能节省材料用量，减轻结构自重的同时增大刚度，各杆件受力以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩剪力分布，水平方向的拉、压内力能自身平衡，不对支座产生水平推力。
- 抗震性能好：由于钢材具有良好的延伸性，拱形钢桁架结构自重轻，地震时产生的地震力小，并且其空间刚度大，结构稳定，在地震发生时可吸收大量地震能量而不会倒塌。
经济性能方面：
- 节省材料：如果采用薄壁钢管截面，有效地减轻结构自重而且节约材料。上下弦杆与腹杆之间采用焊接方法连接，不需要多余的连接件。
- 节省防腐维修费用：钢管是闭口构件，比表面积小，大大节省了防腐和维修的费用。
工业化程度方面：其构件尺寸和形状大量相同，可在工厂成批生产，生产质量好、效率高，不与土建争场地，且不受气候影响，现场工作量小，可缩短工期。

四、拱形钢桁架结构的应用实例

国外应用实例：
- 2014年竣工的新加坡国家体育馆，其穹顶跨度达310米，是世界最大的跨度穹顶建筑，穹顶由拱形管桁架组成。
- 2016年奥运会卡里奥卡体育馆位于巴西里约热内卢巴拉，是一座室内体育场馆，其上部屋盖主要由拱形管桁架结构组成，主体结构包括1、2、3号馆，在奥运会期间分别主办了篮球、柔道和摔跤、击剑和跆拳道等体育赛事。
国内应用实例：
- 北京奥林匹克篮球馆是2008年北京奥运会篮球比赛场馆，总面积6.3万平方米，顶部为双向正交钢桁架，采用框架 - 剪力墙加钢支撑结构，地下一层，地上六层。
- 宁波北仑春晓大桥跨越梅山水道，主桥采用中承式双层桁架系杆拱桥，拱肋采用两片相互平行的全钢桁架拱，每片拱肋由上下弦杆和腹杆组成。

五、拱形钢桁架结构的不足

不耐火性：当温度超过250°C时，钢材材质发生较大变化，强度逐步降低，还会发生蓝脆和徐变现象；温度达600°C时，钢材进入塑性状态不能继续承载。
腐蚀性差：在腐蚀性较差的环境中，钢结构在涂油漆前应彻底除锈，并且油漆质量和涂层厚度均应符合相关规范要求，否则容易被腐蚀。
对设计要求高：大跨度空间管桁结构对承载力和稳定性的要求很高，设计中稍有差池，结构就会出现局部失稳或整体失稳的现象，最终可能导致结构的崩塌，造成严重损失。