拱形鋼桁架結構（拱形鋼桁架結構的經濟效益分析）

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拱形鋼桁架結構是一種廣泛應用于橋梁建設的結構形式，它以獨特的力學性能和經濟效益而著稱。本文旨在分析拱形鋼桁架結構的經濟效益，包括其材料成本、施工周期、維護費用以及潛在的經濟價值。通過對比傳統梁式橋和拱形橋的造價，發現拱形鋼桁架結構在材料使用上更為經濟，尤其是在跨度較大時。施工周期方面，拱形鋼桁架結構由于其自重輕、施工簡便的特點，通常比傳統梁式橋更快完成建造。拱形結構在長期運營中具有較低的維護成本，減少了維護和修復的頻率及費用。從經濟角度考慮，拱形鋼桁架結構因其較高的承載能力和良好的抗震性能，可能帶來更高的投資回報。綜合以上因素，拱形鋼桁架結構在經濟效益上表現出色，是值得推廣的一種橋梁結構形式。

一、拱形鋼桁架結構的概念與組成

概念：拱形鋼桁架結構是一種結合了拱形結構和桁架結構特點的結構形式。拱形結構可利用其曲線拱軸將外荷載產生的彎矩轉化成軸向壓力，提高結構效率；桁架結構由桿件在兩端用鉸鏈連接而成，桿件主要承受軸向拉力或壓力，能使材料得到充分利用。二者結合后的拱形鋼桁架結構具有跨越能力強、承載力高等優點。
組成部分：
- 鋼材構件：鋼材是拱形鋼桁架常采用的主要構件材料，具有高強度、耐腐蝕等優點，像主梁、次梁等構件都是由鋼材制成的。這些構件通過合理的設計和制作，按照設計圖紙要求在工廠或者現場制作成型，用于構建拱形鋼桁架的整體框架結構。
- 連接部件：包括螺栓、螺母和扣件等。螺栓和螺母用于連接鋼構件，需要具備足夠的強度和抗腐蝕性能；扣件用于連接鋼構件，要符合相關標準，具備良好的連接性能和耐久性，它們的作用是確保各個鋼構件連接牢固，形成穩定的結構體系。

二、拱形鋼桁架結構的施工

施工步驟：
1. 基礎施工：根據設計要求在地面挖掘基礎坑，進行土方整平工作，然后在基礎坑中澆筑混凝土基礎，并按照設計要求進行加固和抗震處理，等待混凝土基礎養護結束后再進行下一步施工準備工作。
2. 鋼構件制作和安裝：
  - 按照設計圖紙制作拱形桁架的鋼構件，如主梁、次梁等。對于大型的拱形桁架，為減少高空作業風險，需要在地面上進行鋼構件的預裝和拼裝。
  - 使用起重設備將預裝好的鋼構件吊裝到基礎上，按照設計要求采用螺栓、扣件等進行連接，確保連接牢固。
3. 梁柱節點處理：根據設計要求對拱形桁架的梁柱節點進行混凝土加固處理，鋼構件與混凝土之間的連接處采用專用連接件固定，以確保安全性和穩定性。
4. 完工驗收：完成拱形桁架的主體施工后，進行驗收和檢測工作，確保結構的安全性。對拱形桁架進行必要的防腐、防銹處理，延長其使用壽命，并且施工方案要詳細記錄，以備日后維護和改進參考。
施工注意事項：
- 安全方面：施工期間嚴格遵守安全操作規程，保障施工人員安全。在進行高空作業時，配備安全繩和安全帶等防護設備，并遵守相關操作規程。
- 后期維護：拱形桁架竣工后，定期進行維護和檢測，及時發現和處理可能存在的問題。

三、拱形鋼桁架結構的特點

力學性能方面：
- 受力合理：拱以其獨特的曲線形式實現彎矩向軸力的轉化，桁架通過格構方式將彎矩轉化為桿件的軸力，二者結合后的拱形鋼桁架受力更為合理。在大跨度建筑中，相比實腹梁能節省材料用量，減輕結構自重的同時增大剛度，各桿件受力以單向拉、壓為主，通過對上下弦桿和腹桿的合理布置，可適應結構內部的彎矩剪力分布，水平方向的拉、壓內力能自身平衡，不對支座產生水平推力。
- 抗震性能好：由于鋼材具有良好的延伸性，拱形鋼桁架結構自重輕，地震時產生的地震力小，并且其空間剛度大，結構穩定，在地震發生時可吸收大量地震能量而不會倒塌。
經濟性能方面：
- 節省材料：如果采用薄壁鋼管截面，有效地減輕結構自重而且節約材料。上下弦桿與腹桿之間采用焊接方法連接，不需要多余的連接件。
- 節省防腐維修費用：鋼管是閉口構件，比表面積小，大大節省了防腐和維修的費用。
工業化程度方面：其構件尺寸和形狀大量相同，可在工廠成批生產，生產質量好、效率高，不與土建爭場地，且不受氣候影響，現場工作量小，可縮短工期。

四、拱形鋼桁架結構的應用實例

國外應用實例：
- 2014年竣工的新加坡國家體育館，其穹頂跨度達310米，是世界最大的跨度穹頂建筑，穹頂由拱形管桁架組成。
- 2016年奧運會卡里奧卡體育館位于巴西里約熱內盧巴拉，是一座室內體育場館，其上部屋蓋主要由拱形管桁架結構組成，主體結構包括1、2、3號館，在奧運會期間分別主辦了籃球、柔道和摔跤、擊劍和跆拳道等體育賽事。
國內應用實例：
- 北京奧林匹克籃球館是2008年北京奧運會籃球比賽場館，總面積6.3萬平方米，頂部為雙向正交鋼桁架，采用框架 - 剪力墻加鋼支撐結構，地下一層，地上六層。
- 寧波北侖春曉大橋跨越梅山水道，主橋采用中承式雙層桁架系桿拱橋，拱肋采用兩片相互平行的全鋼桁架拱，每片拱肋由上下弦桿和腹桿組成。

五、拱形鋼桁架結構的不足

不耐火性：當溫度超過250°C時，鋼材材質發生較大變化，強度逐步降低，還會發生藍脆和徐變現象；溫度達600°C時，鋼材進入塑性狀態不能繼續承載。
腐蝕性差：在腐蝕性較差的環境中，鋼結構在涂油漆前應徹底除銹，并且油漆質量和涂層厚度均應符合相關規范要求，否則容易被腐蝕。
對設計要求高：大跨度空間管桁結構對承載力和穩定性的要求很高，設計中稍有差池，結構就會出現局部失穩或整體失穩的現象，最終可能導致結構的崩塌，造成嚴重損失。