树状钢管柱的设计与应用研究

邸芃　姚琪

摘 要：树状结构是一种新颖的建筑结构形式，它的承载力较高，传力路径较合理，支撑空间大，可以用较小的几个杆件支撑较大的空间，因而在工程中被普遍应用。主要阐述了树状结构钢管柱的设计关键问题，包括树状结构的分枝数量研究、传力路径、连接设计和计算长度系数等，然后分析了树状结构钢管柱的结构技术，对圆型钢管混凝土柱和矩形钢管混凝土柱进行对比分析，得出圆型钢管混凝土柱的广泛适用性，最后介绍了钢管柱的防火措施，为钢管树状柱今后的大面积推广做好了铺垫。

关键词：树状结构；钢管柱；计算长度；防火

树状结构是近年来新兴起的一种仿生建筑结构，因其承载力高，支撑空间大和美学价值高而被广泛的应用。与普通建筑结构相比，树状结构可以提供更大的跨度，进而充分地适应与满足建筑对空间的需求，因此，车站、雨棚等一些公共建筑常采用这种建筑类型。

树状结构运用仿生建筑学原理，模仿大自然界中的植物——树，使用的材料基本上都是圆钢管，钢材属于绿色建材，可回收利用，所以，设计中一般都会采用钢材，通过对钢管杆件的合理布置，根据树木层次明显，分枝较多的特征进行设计，建筑造型就比较灵活，达到了建筑的艺术效果，使建筑和结构浑然一体，达到了绿色生态建筑的标准。更重要的是建造时采用钢管柱，其受力合理，承载力高，就像一棵大树，树干便可支撑比它大多倍的枝叶重量，在风力作用下，弯而不折，达到结构设计的安全要求。尽管仿生树状钢管柱有很多的优势，其结构形态在大自然中也比较常见，但在世界范围内真正采用这一结构形式的比较晚，直到1960年几个发达国家才开始实际建造。树这一结构类型在国外较常见，如里斯本东方车站等，在国内比较少，大型的树状结构更是少之又少，国内较熟知的便是深圳文化中心“黄金树”结构，其他的大部分应用在车站等大型公共建筑上。

1 树状钢管柱的设计关键问题研究

1.1 分枝数量研究

树状结构一般将钢材作为主要材料，对于分枝多、受力大的结构，其主柱也可以采用钢管混凝土柱，以满足受力要求。其一般都呈现出多层多级分叉、空间范围大、平面伸展广的形态特征。文章以二级分枝的树状结构为例（图1）分析树状柱的分枝数量，即首先是底部地基与单主柱相连，单主柱分出的一级分枝再各自分出不同的二级分枝，最后二级分枝再与相应的屋面梁等连接。当然就像大树一样，分枝越多，就越有美感，建筑结构也一样，而树枝、主柱等受力也就越复杂，这样便会导致树状结构的设计计算变的复杂甚至受到限制，施工也更困难，所以，树状结构增加分枝的数量要适度。

图1 树状柱的体系组成

1.2 传力路径

树状钢管柱大都具有多层分支分叉和三维伸展的特点。大致的传力路径是，屋面将所受到的外荷载传递到各级树状柱的分枝上，其次，各级分枝承受的力再传递给上一级树枝，然后，所有的树枝分力汇总起来传给树状主柱，最后，主柱再将合力传给基础。图2给出了树状主柱与分枝之间的传力路径，具体步骤如下：第一，上部结构将承受的自重及外力全部传递给二级分枝柱。一般情况下，屋面梁与二级分枝的连接方式为铰接，目的是方便施工和避免弯矩直接传递至受力过大，造成结构破坏；第二，各二级分枝柱通过节点O2、O3、O4将自重及外力传递给各一级分枝柱。在此过程中需要注意以下两方面，一方面是当各节点的二级树枝不能形成一个平面时，要根据平行四边形准则，尽可能调整分枝的方向，使得各分枝的轴向合力沿着一级分枝轴线O1O3，确保合力方向唯一；2）如果二级树枝形成一个平面，如二级树枝FO4、GO4在同一个平面上，则应使FO4、GO4的合力延长线在轴线O1O4上，形成一个力的平行四边形，确保受力方向唯一，再次，经过树枝上述力的传递之后，一级树枝再将承受的力通过节点O1传递到树状主柱O1O上。最后，树状主柱将承受的合力传递到基础承担。

1.3 连接设计

由上面树状柱的传力路径可知，各分枝节点的连接方式应根据具体情况确定。对于分枝数量少、杆件长度小、施工方便和受力较好的节点，可直接施焊。就树状钢管柱而言，最常见的节点形式只有钢管相贯节点满足要求。但是，主柱与分枝柱相连的节点，枝干引起的侧向力较大，容易把钢管主柱破坏，所以，设计时用内、外环加劲板安置在钢管主柱的相贯截面处，可提高其截面的刚度，从而确保钢管主柱不被破坏。但是，一些树状结构，具有分枝多、杆件长、管径粗、施工复杂等特点，因此，需要采用单独的铸钢节点。

1.4 计算长度系数

由于国内研究学者对树状结构杆件的计算长度的研究还没有深入。因此，杆件长度系数的计算便成为一个较复杂的课题，主要影响因素有以下几点：（1）树枝长度比值；（2）截面刚度比值；（3）末端支撑采用的支座可否简化。实际工程中，树状结构的屋面支撑都有树状柱，不同的是有无其他落地支撑，对于有落地支撑的屋面，在设计时，可将其看成稳定的刚性屋面，与树梢末端连接，产生的侧移幅度较小，可将支座简化为不动铰支座，如常见的一些大跨度车站；而对于无落地支撑的屋面，产生的侧移幅度较大，便可将末端简化成悬臂端，如常见的连廊结构建筑。更重要的是，树状结构在设计过程中，合理地计算各枝干与主干之间的刚度和强度比值，可以将分枝失稳现象控制到主干柱失稳之前，避免结构严重破坏，所以，分支稳定问题的解决，将能确保树状柱的整体稳定性。当然，这也可以运用有限元分析软件进行模拟计算，也就是施加一对集中力来对杆件进行线弹性屈曲分析，再根据欧拉临界力的计算公式（公式1），和软件得出的屈曲结果，反推出各级树状柱的计算长度系数（公式2），以此便可计算出杆件在理想状态时的计算长度系数。

（1）

（2）

2 树状柱的钢管混凝土结构技术

钢管混凝土柱是利用混凝土和钢管这两种材料在受力过程中的相互作用，即钢管对周边混凝土约束，使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性得到改善。采用钢材和混凝土这两种建筑材料，其力学特性可得到更充分的发挥。很多的工程实践都表明：采用钢管混凝土的承压构件比普通混凝土的大约可以节约50%的混凝土，也可减轻结构50%左右的自重；和钢结构相比，其可以节约50%左右的钢材；钢管混凝土柱的防锈费用也比空钢管柱的要低。表1是钢管混凝土柱的两种类型的比较和它们各自的应用范围等。

3 树状钢管柱的防火

建筑火灾与其他的火灾相比较，它具有伤害力大、扑救困难、燃烧速度快和容易造成人员伤亡和巨大经济损失的特点，究其根本原因，有一部分就是建筑物的可燃性。虽然钢材不是可燃物，但一旦遭受火灾，强度会骤降，当温度升高至600℃时，钢结构的屈服强度比之前减少30%左右，钢材强度、刚度承载力也全部降低接近失效，所以，当无防火措施的树状结构钢管柱建筑遇到火灾时，结构破坏会较明显，并造成一定程度的损失。为了保证树状结构在火灾时其强度、刚度、稳定性和承载力等性能能够持续一段时间再逐渐降低，所以必须在钢结构表面包敷防火材料，使其性能保持在耐热允许范围之内。

根据各仿生建筑耐火程度的不同，防火材料的施工方法也不尽相同。常见的防火措施有外喷式和外包式两种。使用防火涂料是其中的一种措施，因其具有高效的耐火性能，并具有普通涂料的装饰性、工艺性和耐久性等特性，并且施工较方便，对结构形态也没多大影响，因此，树状结构较宜采用防火涂料进行施工，并且施工也应在钢结构工程验收完毕后进行。

4 结语

树状钢管柱不仅模仿了大自然中大树的形态，又充分发挥了钢结构的优势，受力合理，具有很高的美学价值，可提倡推广应用。文章主要阐述了树状结构钢管柱的设计关键问题，包括对树状结构分枝的数量研究、传力路径、连接设计和计算长度等，把钢管树状柱的结构设计关键问题分析清楚，并介绍了树状钢管柱的结构技术，得出最适合树状钢管柱的材料与技术，最后结合实际工程，给出树状结构的防火措施，为大跨度空间结构采用钢管树状柱积累一定的经验，为树状结构设计的完善与大规模应用抛砖引玉。

参考文献

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