В современном строительстве пространственных сооружений стальные пространственные рамы, обладающие превосходной пропускной способностью, элегантными архитектурными формами и эффективными несущими характеристиками, широко используются в большепролетных зданиях, таких как стадионы, выставочные залы, терминалы аэропортов и промышленные предприятия. Сварные шаровые пространственные рамы и болтовые шаровые пространственные рамы, как две основные формы стальных пространственных рам, имеют различные технические характеристики и сферы применения. В этой статье мы рассмотрим основные различия между этими двумя конструкциями пространственных рам с точки зрения структурных принципов, технологии строительства, механических свойств, экономики и сценариев применения, что послужит основой для инженерного проектирования и выбора.

I. Основная структура и принципы соединения

В сварных шаровых пространственных каркасах в качестве узлов используются полые стальные шары. Концы элементов (обычно стальных труб) непосредственно соединяются со стальными сферами с помощью сварки на месте, образуя жесткие соединения. Такой метод соединения обеспечивает точное пересечение осей элементов в центре сферы, что приводит к прямой передаче усилия и высокой жесткости узла. Сварные шаровые соединения обычно требуют точной предварительной обработки на заводе в зависимости от количества и угла наклона элементов для обеспечения точного выравнивания на месте.

В пространственных каркасах с болтами в качестве узлов используются массивные стальные шары, в которых предварительно просверлены отверстия для высокопрочных болтов. Конические головки или торцевые пластины привариваются к концам элементов, которые затем крепятся к стальным шарам высокопрочными болтами. Такое соединение представляет собой шарнирный узел, в котором элементы в основном воспринимают осевые силы, а изгибающие моменты минимальны. Все болтовые шаровые узлы обрабатываются на заводе, что позволяет осуществлять строительство на месте.

II. Технология строительства и контроль качества

Основа конструкции сварной шаровой космической рамы заключается в сварке на месте. Процесс включает в себя: наземную сборку небольших блоков, высотный подъем и позиционирование, измерения и калибровку, а также окончательную сварку и закрепление. Контроль качества сосредоточен на качестве сварки, требуя строгого соблюдения таких процедур, как аттестация сварщиков, квалификация сварочных процедур и неразрушающий контроль (UT, RT) сварных швов. Сварка на объекте сильно зависит от погодных условий (ветер, дождь, низкие температуры), что требует высоких стандартов организации и управления строительством. Однако, благодаря высокой жесткости узлов и хорошей общей устойчивости, требования к временному усилению опорной системы относительно невысоки.

Основа конструкции пространственной рамы с болтовыми шариками заключается в высокоточной сборке. Процесс выглядит следующим образом: сборка всех элементов и шариков болтов на заводе → сборка на месте в соответствии с нумерацией → первоначальная затяжка → окончательная затяжка до проектного предварительного натяжения. Ключевыми точками контроля качества являются контроль предварительного натяжения болтов и точность обработки деталей. Необходимо использовать калиброванные динамометрические или электрические ключи и регулярно проверять осевое усилие болтов. Погрешности обработки деталей должны быть очень малы, иначе возникнут трудности при монтаже. Строительство практически не зависит от погодных условий и выполняется очень быстро, но требует чрезвычайно высокой точности измерений и планировки на месте.

III. Механические свойства и структурные характеристики

С точки зрения структурного анализа различия между ними существенны:

- Жесткость узлов: Сварные шаровые узлы близки к жестким соединениям, способным передавать осевую силу, сдвигающую силу и изгибающий момент, что приводит к увеличению общей жесткости и повышению устойчивости космической рамы. Болтовые шаровые узлы близки к шарнирным соединениям, передающим в основном осевую силу, и модель структурного анализа более проста.

- Несущие характеристики: Из-за жесткости узлов сварные шаровые пространственные рамы имеют определенные вторичные изгибающие моменты в элементах, что предъявляет повышенные требования к несущей способности самих узлов и элементов. Болтовые сферические пространственные рамы воспринимают в основном осевые силы, что позволяет более эффективно использовать материал и получить расчетную модель, которая лучше соответствует реальным условиям.

• Пространственная функция: Сварные сферические пространственные рамы демонстрируют более сильную общую пространственную синергию и превосходную способность адаптироваться к неравномерным и локализованным нагрузкам. Болтовые сферические каркасы более чувствительны к граничным условиям и расположению опор.

IV. Экономическая эффективность и проектный цикл

Сварные сферические пространственные каркасы:

• Преимущества: Относительно низкий расход стали в узлах, отсутствие необходимости в дорогостоящих высокопрочных болтах и сложных механически обработанных сферах.
• Недостатки: Значительный объем сварочных работ на объекте и высокие трудозатраты; значительные затраты на проведение испытаний; длительный срок строительства; высокие инвестиции в безопасность строительства (высотная сварка, противопожарная защита).
• Общая экономическая эффективность: Экономия на материалах может быть более заметной в проектах с большими пролетами, тяжелыми грузами и сложными формами, но затраты на управление высоки.

Космическая рамка с болтами:

• Преимущества: Чрезвычайно высокая степень заводского производства (более 95%), стабильное качество; чрезвычайно быстрый монтаж на месте, сокращение сроков строительства на 30%-50%; отсутствие операций с открытым огнем на месте, высокая безопасность; хорошие условия для цивилизованного строительства.
• Недостатки: Повышенный расход стали в узлах (твердые сферы), высокая стоимость высокопрочных болтов и механической обработки.
• Общая экономическая эффективность: В проектах с высокой степенью стандартизации, умеренной протяженностью и жесткими сроками реализации, несмотря на высокие затраты на материалы, общая экономическая выгода часто оказывается выше за счет экономии времени строительства и затрат на управление.

V. Сравнение типовых сценариев применения

Ситуации, в которых предпочтительны сварные пространственные каркасы:

1. Сверхбольшие пролетные конструкции: Такие как стадионы и терминалы аэропортов с пролетами более 100 метров, требующие чрезвычайно высокой общей жесткости и устойчивости.
2. Большие динамические или подвесные нагрузки: Промышленные предприятия, оснащенные подвесными кранами или крупным подвесным оборудованием, или большие общественные здания с интенсивным пешеходным движением, подверженные вибрации. 3. Большие и сложные узловые нагрузки: Большие сосредоточенные нагрузки в узлах или аномальные углы в местах пересечения элементов делают надежные соединения более простыми при использовании сварных сфер.
3. Чрезвычайно сложные архитектурные формы: Для нестандартных форм, таких как гиперболоиды и поверхности свободной формы, узлы сварной сферы обеспечивают большую пространственную адаптивность.

Ситуации, в которых предпочтительны пространственные рамы с болтами:

1. Стандартизированные здания малой и средней этажности: например, стандартные заводы, склады и коммерческие центры, в полной мере использующие преимущества сборки и быстрого монтажа.
2. Проекты с очень сжатыми сроками: Например, проекты в чрезвычайных ситуациях и проекты реконструкции/расширения.
3. Ситуации с ограниченными условиями работы на объекте: Например, в городах, на химических заводах и в других местах, где работа с открытым огнем строго запрещена.
4. Конструкции, требующие последующего демонтажа или модификации: Болтовые соединения позволяют разбирать конструкцию, оставляя место для будущих модификаций.

Заключение и рекомендации по выбору

Разница между сварными каркасами и болтовыми каркасами заключается, в основном, в техническом подходе: различия между жесткими и шарнирными соединениями, строительство на месте и заводская сборка, изготовление на заказ и стандартизация. Ни одна из технологий не является по своей сути лучшей или худшей; выбор заключается в ее пригодности.

При выборе технологии для проекта очень важно систематически взвешивать факторы:

Во-первых, учитывайте функциональные и механические требования здания: проанализируйте пролет, нагрузку, динамические характеристики и форму здания.

Во-вторых, оцените условия и график строительства: изучите обстановку на стройплощадке, сезон строительства, напряженность графика и ресурсы управления безопасностью.

Наконец, проведите экономическое сравнение полного жизненного цикла: всесторонне рассчитайте затраты на материалы, обработку, установку, тестирование, обслуживание и даже будущие модификации.

В настоящее время наблюдается тенденция к интеграции этих двух технологий. Например, в крупных проектах используется модель “гибридной космической рамы”, в которой сварные сферы используются в основных несущих областях, а болтовые сферы - в окружающих стандартных областях, сочетая преимущества жесткости и быстрого монтажа. С развитием технологий цифрового проектирования и роботизированной обработки разрыв в точности обработки и эффективности строительства между этими двумя видами конструкций сокращается, но глубокое понимание их основных различий остается краеугольным камнем для принятия оптимальных инженерных решений.

ПОЧЕМУ ВЫБИРАЮТ sdshijie

Изготовление металлоконструкций на заказ — наша специальность