Stort spann stål rymdstruktur

Grundläggande produktdefinitioner

1. Allmän definition

I enlighet med standarden för utformning av stålkonstruktioner (GB 50017) klassificeras rumsliga rutnätstakkonstruktioner med en spännvidd på 60 meter eller mer som rymdramskonstruktioner i stål med stora spännvidder. De är sammansatta av stålrör och sfäriska fogar till geometriska system som fyrkantiga eller triangulära pyramider. Dessa är högst statiskt obestämda rumsliga system där belastningar är fördelade globalt och element främst genomgår axiell spänning eller kompression. De erbjuder hög övergripande styvhet och skapar pelarfria, öppna ytor, vilket gör dem idealiska för arenor, mässcenter, höghastighetsjärnvägsstationer, kollager, flygplatsterminaler och mer.

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

Rymdramsfundamentet är underkonstruktionen – typiskt betong- eller pålbaserad – som stöder rymdramens lager och överför alla belastningar från överbyggnaden (axialkrafter, skjuvkrafter, böjmoment, horisontella krafter och seismiska krafter) till marken; den fungerar som den strukturella basen för rymdramen.

· Strukturella egenskaper: Utsätts för vertikalt tryck, horisontell dragkraft, lyftkrafter och vridmoment; kräver extremt hög precision vad gäller sättning, höjd och placering av inbäddade delar.

· Viktiga kontrollpunkter: Differentialsättningar kan direkt orsaka sprickor i utrymmesramskarvar och elementinstabilitet, vilket gör det till en kritisk faktor för framgång eller misslyckande av rymdramar med stora spann.

3. Distinktion av Common Space Frame-terminologi

· Space Frame Body: Den övre rumsliga rutnätsstrukturen (delar + sfäriska leder);

· Space Frame Bearing: Den lastöverförande komponenten som ansluter rymdramen till fundamentet;

· Space Frame Foundation: The reinforced concrete structure, pile cap, or isolated footing located beneath the bearing.

Komplett systemkonfiguration

Del 1: Upper Space Frame Main System (primär lastbärande struktur)

1. Struktursystem (Mainstream-alternativ)

· Ortogonal fyrkantig Pyramid Space Frame: Mest använd; erbjuder enhetlig styvhet och bekväm takinstallation; föredraget val för rektangulära fotspår.

· Diagonal Square Pyramid Space Frame: Överlägsen strukturell prestanda och något lägre stålförbrukning; lämplig för medelstora till stora spann.

· Triangulär Pyramid Space Frame: Hög rumslig stabilitet; lämplig för cirkulära eller polygonala fotspår.

· Space Frame med svetsad kula: Lämplig för tunga belastningar, ultrastora spännvidder (över 80 m), tunga taksystem och förhållanden med hög belastning.

· Bolted-Ball Space Frame: Lämplig för lättare belastningar och standard stora spännvidder; har fabriksprefabricering, montering på plats och snabb konstruktion.

2. Huvudmaterialkonfiguration (standardspecifikationer)

· Medlemmar: Sömlösa stålrör eller svetsade rör med rak söm; Material: Q355B (huvudström för stora spännvidder); Vanliga specifikationer: Φ114×4, Φ140×6, Φ159×8, Φ219×10; Q235B kan användas för mindre spännvidder.

· Ledbollar:

o Boltade bollar: Φ200–Φ400; väggtjocklek ≥12 mm; Material: Q355B.

o Svetsade kulor: Φ250–Φ500; väggtjocklek ≥14 mm; inkluderar invändiga förstyvande ribbor.

· Kontaktdon: Grad 10.9 höghållfasta bultar (specialiserade för rymdramar); inkluderar matchande koniska huvuden, ändplattor, hylsor och fästskruvar.

3. Tak- och kapslingskomponenter (komplett taksystem)

· Takpaneler: Aluminium-magnesium-manganpaneler med stående fals, profilerade stålplåtar och dagsljuspaneler (lokaliserade).

· Sekundär takkonstruktion: C/Z-profiler av stål (Q355B varmförzinkade, beläggningstjocklek ≥80μm), takstag och stag.

· Vattentätning och isolering: Isoleringsskikt av stenull eller glasull, vattentätt membran som andas, rännor, stuprör och nockkåpor.

Del II: Space Frame Bearing System (kärna för lastöverföring mellan övre och nedre strukturer)

Lager fungerar som de enda lastöverföringsnoder mellan rymdramen och betongfundamentet; valet för strukturer med långa spann måste baseras på specifika belastningskrav:

1. Platta kompressionslager: Ha endast vertikal kompression; används för kantstöd och områden med låga horisontella krafter.

2. Enkelriktade/dubbelriktade glidlager: Avlastar termisk stress och tar emot termisk expansion/sammandragning; avgörande för långa rymdramar.

3. Gångjärnslager (sfäriska gångjärnslager): Tillåt rotation och kraftöverföring i flera riktningar; används i hörn, i områden med höga horisontella krafter och i zoner med strikta seismiska krav.

4. Draglager (upplyftningsbeständiga lager): Används vid takfot, konsoler och områden som utsätts för betydande vindsug för att förhindra att rymdramen lyfts.

Lagertillbehör: Basplattor, förstyvningsribbor, ankarbultar och justeringsshims (för nivellering och höjdjustering).

Del III: Nedre fundamentsystem

Urvalet baseras på geologiska förhållanden, spann och lastklassificering; det rådande valet för strukturer med långa spann är kombinationen pål-plus-pål-cap:

I. Vanliga grundtyper

1. Armerad betong isolerade fot: Spännvidder på 60–80m, gynnsamma geologiska förhållanden, måttliga belastningar.

2. Stripfundament (kontinuerliga fotfästen): Långsträckta rymdramar, kontinuerliga stöd, höga krav på horisontell kraftmotstånd.

3. Pålfundament med pålkapslar (föredraget för långa spännvidder): Spännvidder överstigande 80 m, mjuka markfundament, tunga belastningar, zoner med hög seismisk intensitet.

o Påltyper: Borrade platsgjutna pålar, prefabricerade rörpålar.

o Pålkapslar: Fyrkantiga/rektangulära pålhattar av armerad betong (C30/C35 betong).

4. Flottfundament: Projekt med extremt stora ytor, komplexa geologiska förhållanden och stränga krav för kontroll av differentialsättning.

II. Kärnfundamentstruktur och inbyggda delar

1. Betonghållfasthet: Pålkapslar/grundstommen C30–C35; bländande betong C15;

2. Foundation inbäddade delar:

o Inbäddade stålplåtar för stöd: Tjocklek 16–20 mm, svetsade till pålkapsförstärkning;

o Inbäddade ankarbultar: För att säkra rymdramstöd; Q355 stålbultar, komplett med muttrar och lagerplattor;

3. Precisionskontroll (obligatoriska standarder för stora konstruktioner):

o Axelavvikelse ≤ ±5 mm;

o Höjdavvikelse över ytan ≤ ±3 mm;

o Höjdskillnad mellan stöd inom samma spann ≤ 2 mm.

Del IV: Stabilitets- och stabilitetssystem

Stora spännkonstruktioner av stålrymdram innefattar betydande höjder och betydande horisontella krafter (vind, seismisk); ett omfattande stabilitetssystem är obligatoriskt:

1. Stödelement för inre utrymmesram: Vertikala/diagonala banelement mellan de övre och nedre kordan (integrerad med utrymmesramen);

2. Mellanpelarstag: Tvärstag (vinkelstål eller stålrör) mellan betongpelare för att motstå längsgående horisontella krafter;

3. Takstag: Horisontella dragstänger och diagonalstag inom den övre kordans plan, som bildar ett styvt takmembran;

4. Utrymmesramar med takkant och gavel: Stäng av ändarna, förbättra den totala styvheten och motstå vindbelastningar;

5. Knästöd/dragstänger: Sidostabilitetskomponenter för räfflor (följer samma logik som lätta ståltak).

Del V: Anti-korrosion, brandskydd och åskskyddssystem

1. Anti-korrosion

· Fabrikstillverkade komponenter: Varmförzinkad overall (zinkbeläggningstjocklek ≥85 μm); ökad tjocklek för kustnära eller kemiska industrizoner;

· Platssvetsar och reparationssvetsade områden: Slipblästring för rostborttagning + epoxizinkrik grundfärg + topplack;

· Sfäriska noder och bultar: Fabriksförzinkade; skärning på plats som skadar beläggningen är förbjuden.

2. Brandskydd

· Applicering av specialiserade brandhämmande beläggningar (ultratunna eller tunnfilmstyper) baserat på byggnadens brandklassificering; brandbeständighet på 1,0 h till 2,0 h;

· Särskild uppmärksamhet på beläggningsstöd, inbäddade delar och bultar. 3. Åskskydd

· Översta ackordet på rymdramen fungerar som luftavslutningssystemet;

·Nedledare bildade via stöd, ankarbultar och fundamentförstärkning;

·Jordningselektroder installerade i grunden och anslutna till byggnadens huvudnät för åskskydd.

Del 6: Installations- och konstruktionsstöd

1. Installationsmetoder: Montering bit för bit på hög höjd, modulupplyftning, integrerade lyft, kumulativ glidning (huvudström för stora spännvidder);

2. Kärnutrustning: Totalstation, nivå, momentnyckel, hydrauliskt lyft-/glidsystem, stora kranar, portalkranar;

3. Hjälpmaterial: Specialiserat smörjmedel för höghållfasta bultar, tätningsmedel, shims, tillfälliga stödramar, trådar.

Komplett komponentlista

1. Övre rymdram: Stålrörsdelar + bultade kulor/svetsade kulor + höghållfasta bultar + koniska huvuden/ändplattor;

2.Taksystem: Takpaneler + C/Z-galler + isolering & tätskikt + hängrännor & stuprör;

3. Bärande stöd: Fasta/glidbara/sfäriska/lyftsäkra stöd + ankarbultar + inbäddade stålplåtar;

4. Underkonstruktion/Fundament: Isolerade fot/listfundament/pålkapslar (armeringsjärn + betong + inbäddade delar);

5. Stabilitetsstag: Inter-kolonn stag, tak horisontell stag, gavel-end space ramar;

6. Skyddssystem: Varmförzinkning (korrosionsskydd), brandbeständiga beläggningar, åskskydd och jordning;

7. Installationshjälpmedel: Tillfälliga stöd, lyftutrustning, mätinstrument, fästbeslag.

Standard lätt ståltak vs. Stort spann stål rymdstruktur

·Standard lätt ståltak: Primärt portal stela ramar; spännvidd < 60m; saknar ett rumsligt rutsystem;

· Stort spann stålrymdsramstruktur: Spännvidd ≥ 60m; rumslig rutnätsstruktur; förlitar sig på integrerad rumslig lastbärande verkan; kraven på fundament, stöd och precision är betydligt högre än för lätta stålkonstruktioner.

Kärnfördelar

1. Extra stor spännvidd möjliggör pelarfria konstruktioner, vilket maximerar det invändiga utrymmet.

2. Tredimensionellt strukturellt beteende säkerställer balanserad lastfördelning och utmärkt motstånd mot seismiska krafter och vindtryck.

3. Lätt men ändå styv; strukturen motstår övergripande deformation och hängning.

4. Fabriksprefabricerade komponenter möjliggör snabb montering på plats.

5. Flexibel geometri stödjer olika former, inklusive plana, böjda, sfäriska och oregelbundna kupoler.

6. Stabil och hållbar struktur; lång livslängd vid behandling för korrosionsbeständighet.

Särskiljande höjdpunkter

I. Strukturella prestandafördelar

1. Tredimensionell lastfördelning: Till skillnad från portalramar eller solida banbalkar (som utsätts för böjning och skjuvning) upplever elementen i en rymdram i första hand axiell spänning och kompression. Detta säkerställer ett effektivt materialutnyttjande och minskad egenvikt. Belastningar från extra stora spännvidder är jämnt fördelade över stöden, vilket minimerar punktbelastningar och minskar grundkostnaderna.

2. Mycket statiskt obestämd struktur: Erbjuder betydande säkerhetsredundans; misslyckande av en enskild medlem kommer inte att orsaka total kollaps. Den överträffar plana takstolar och portalramar när det gäller att motstå jordbävningar, vind, snö och ojämn sättning, vilket gör den idealisk för stora offentliga byggnader som arenor, kollagringsskjul och flygplatsterminaler.

3. Kolumnfria stora utrymmen: Erhåller enkelt fria spännvidder på 60–150 meter. Däremot har portalramar vanligtvis en ekonomisk spännvidd på ≤36 meter, och stålfackverk med stor spännvidd saknar ofta kostnadseffektivitet; rymdramar ger stora, obehindrade, pelarfria interiörer.

II. Material och kostnadshöjdpunkter

1. Minskad stålförbrukning för motsvarande spännvidder

För applikationer med stora spännvidder är stålförbrukningen per enhet projicerad yta lägre än för stålfackverk eller takbalkar med massiva banor. Boltade rymdramar drar nytta av standardiserad fabriksmassproduktion och låga kostnader genom bulkanskaffning av primärmaterial (stålrör och stålkulor).

2. Bred lastanpassningsförmåga

Lämplig för ett brett spektrum av applikationer, från lätta glastak till kraftiga torrkolsskjul och utrustningsbärande tak. Materialvalet kan anpassas flexibelt för att kontrollera kostnaderna – med Q235 stål för lättare laster och Q355 för tyngre laster.

III. Produktions- och bearbetningshöjdpunkter

1. Standardiserade fabriksprefabricerade utrymmesramar med bultade kulor: Stålrörselement kapas till längd, konhuvuden och ändplattor är förmonterade och stålkulor tappas – allt inom verkstaden – innan de sorteras och förpackas. Arbetet på plats är begränsat till montering och åtdragning av höghållfasta bultar, med minimal svetsning. Däremot kräver takstolar och stela ramar ofta omfattande skarvning och svetsning på plats.

2. Mångsidighet med hög komponent: En enkel utrymmesram använder ett begränsat utbud av kul-, bult- och stålrörsspecifikationer, vilket säkerställer hög utbytbarhet av delar. Detta underlättar massproduktion, lagerhantering och framtida underhåll eller utbyte.

IV. Konstruktion och installationsskillnader

1. Flexibla och mångsidiga installationsmetoder: Olika tekniker – såsom montering bit för bit på höjden, blocklyft, integrerad hydraulisk lyftning och kumulativ glidning – möjliggör konstruktion i stora, ultrahöga eller trånga utrymmen. Omvänt är portalstela ramar och takstolar avsevärt begränsade av krandriftsradier.

2. Kontrollerbar konstruktionshastighet: Samtidig fabrikstillverkning och montering på plats förkortar det övergripande projektschemat. Frånvaron av omfattande svetsning på plats minskar behovet av feldetektering och korrosionsskydd.

V. Fördelar i takläggning och arkitektonisk form

1. Hög formbarhet: Rektangulära, cirkulära, elliptiska, sfäriska och dubbelt krökta former är alla möjliga. Stela ramar och plana takstolar kämpar för att skapa böjda tak med stora spännvidder, vilket gör rymdramar idealiska för unikt formade strukturer som mässhallar och sportarenor.

2. Bekväm taklayout: Det enhetliga, regelbundna arrangemanget av övre kordnoder underlättar den ordnade placeringen av taklister, takpaneler och takfönster. Detta förenklar takinneslutningskonstruktionen och erbjuder större flexibilitet vid utformning av dräneringssystem och takfönster.

VI. Fördelar i hållbarhet: Anti-korrosion och brandskydd

1. Smala, enhetliga delar och mogen varmförzinkning: Stålrör och kulor kan varmförzinkas helt på fabriken utan de "döda zonerna" som finns i strukturella sektioner, vilket resulterar i överlägsen korrosionsskyddskvalitet jämfört med styva ramar i H-sektionen. Detta ger en tydlig livslängdsfördel i kustnära eller kemiskt korrosiva miljöer.

2. Enkel applicering av brandhämmande beläggningar: Med diskreta delar och hanterbara ytareor är appliceringen av tunnfilms brandhämmande beläggningar mer materialeffektiv och snabbare än beläggning av stora balkar och pelare med massiva banor.

VII. Höjdpunkter i Post-Construction O&M

1. Lättvikt med låg takunderhållsbelastning; enkel layout för underhållsgångar;

2. Tydligt strukturellt beteende; enskilda skadade delar kan bytas ut vid specifika punkter utan omfattande demontering eller modifiering av taket, vilket resulterar i låga underhållskostnader.

VIII. Kort jämförelse med konkurrerande system

1. Styva portalramar: Lämplig för små till medelstora spann; plana strukturella beteende; förlitar sig på böjliga delar; låg kostnad; kostnadseffektiviteten sjunker kraftigt för spännvidder som överstiger 36 m;

2. Stålfackverk: Plana strukturella beteende; svag lateral stelhet; hög egenvikt för stora spännvidder; kräver betydande svetsning på plats;

3. Stålrymdsramar: Rumsligt strukturellt beteende; föredraget val för ultrastora spännvidder; hög styvhet; flexibel geometri; hög säkerhetsmarginal.

Standard tillverkningsprocess

I. Tillverkningsprocess för stålkulor

1. Skärning och smide: Sågning av rund stålstång → Medelfrekvent uppvärmning och smide till grova stålkulämnen;

2. Bearbetning: Svarvning av den sfäriska ytan → Flervinkelborrning av bulthål och gängning med en indexborrmaskin enligt ritningar;

3. Inspektion och NDT: Gänginspektion; magnetisk partikeltestning (MPT) för att upptäcka sprickor;

4. Anti-korrosion: Övergripande varmförzinkning.

Svetsade kulor: Stämpling av stålplåt i två halvklot → Fasning → Montering av inre ringförstyvningar → Nedsänkt bågsvetsning för att sammanfoga halvklot → NDT → Slipning → Galvanisering.

II. Tillverkningsprocess för rymdramelement

1. Kapning av stålrör: Kapning av fast längd av sömlösa eller svetsade rör med CNC-sågar; ersättning för svetskrympning ingår; plana ändytor;

2. Tillverkning av konhuvud och ändplatta: Svarvning av smide till form;

3. Montering och svetsning: Förmontering av konhuvuden/ändplattor vid rörändar; positionering via verktyg; helgenomträngande CO₂ periferisk svetsning;

4. Svets-NDT: Ultraljudstestning (UT) för kritiska element med stort spann; stickprov för svetsar av grad II;

5. Rätning och rostborttagning: Rätningselement; kulblästring till Sa2,5-grad;

6. Anti-korrosion: Övergripande varmförzinkning.

III. Bearbetning av höghållfasta bultenheter

1. Runda stålskärning → Härdning och härdning → Utvändig svarvning → Gängvalsning;

2. Hårdhetstestning, feldetektering och varmförzinkning; samtidig bearbetning och galvanisering av matchande hylsor och ställskruvar.

IV. Fabriksförmontering

1. Välj 1–2 standardenheter för provmontering på en jigg;

2. Verifiera kulhålets inriktning, skruvinsättningsdjupet och den totala delens längd;

3. Justera mått på icke-standardiserade delar för att säkerställa smidig montering på plats.

V. Förpackning och klassificering

Antal komponenter per zon och specifikation; packelement, stålkulor och bultar separat; markera med axelnummer.

VI. Monteringsprocedurer på plats

1. Lantmätning och layout; utjämning och placering av stöd;

2. Utförande baserat på byggplanen: montering bit för bit på höjden / blocklyft / integrerad lyft;

3. Montera de nedre ackordkulorna och elementen först → installera webbelement → montera toppackordet; dra åt Grad 10.9 höghållfasta bultar för att utforma vridmoment med hjälp av en momentnyckel;

4. Besiktning av delobjekt, bättring av korrosionsskyddsbeläggning på svetsar och applicering av brandbeständig beläggning.

Obs: Skillnader för Space Frames med svetsade kulor

Helgenomsvetsning av fogar på plats; feldetektering för varje svetspass; ingen process för åtdragning av höghållfasta bultar.

Nyckelprestandaparametrar

I. Geometriska specifikationer för huvudkomponenter

1. Space Frame stålrörselement (Q235B/Q355B; Q355B föredrages för stora spännvidder)

Vanliga rördiametrar × väggtjocklekar: φ60×3,5, φ76×4, φ89×4, φ114×4, φ140×6, φ159×8, φ180×10, φ219×10

Färdig elementlängd: 1,0 m–3,5 m (standard gallerstorlek: 1,5 m–3,0 m);

Tillverkningstolerans för rakhet: ≤L/1000; ändytans vinkelräthetsavvikelse: ≤0,5 mm.

2. Bultade sfärer

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

Väggtjocklek: 12–20 mm; vinkeltolerans för gängade hål på sfärytan: ±15′.

3. Tillhörande fästelement

Grad 10,9 höghållfasta bultar: M12, M14, M16, M20, M22, M24, M27, M30; tillbehör: hylsor, koniska huvuden, ändplattor, låsskruvar.

4. Stödplattor

Basplattans tjocklek: 16–30 mm; förstyvningsplattans tjocklek: 12–20 mm; inbäddade ankarbultar: Q355.

II. Material Mekaniska egenskaper

III. Strukturell lastbärande prestanda

1. Bärande egenskaper: Alla delar i den stora stålrymdskonstruktionen utsätts för axiell spänning eller kompression; det finns inga böjbara delar; det är en högst statiskt obestämd struktur; misslyckande hos enskilda medlemmar utlöser inte total kollaps.

2. Typiska tillämpliga spann

1. Boltade sfäriska rymdramar: 12m–80m;

2. Svetsade sfäriska utrymmesramar: 50m–180m (för extremt stora spännvidder och tunga belastningar). 3. Typiska taklastvärden: Egenlast 0,30–0,80 kN/m²; spänning 0,5–1,0 kN/m²; tunga strukturer (t.ex. torra kolskjul) kan överstiga 2,0 kN/m².

4. Termisk deformation: Glidstöd måste installeras för spännvidder som överstiger 60 m i en enda riktning för att lindra värmeutvidgnings-/sammandragningsspänningar.

IV. Svets- och feldetekteringsstandarder

1. Omkretssvetsar mellan element och konhuvuden: svetsar av grad II; 100 % ultraljudstestning (UT) för kritiska långtidsmedlemmar; 20 % slumpmässigt urval för standardmedlemmar.

2. Stumsvetsar för svetsade sfärer: Grad II-svetsar; 100 % feldetektering för kritiska projekt.

V. Anti-korrosionsparametrar

1. Fabriksfärdiga produkter: Varmförzinkning; zinkbeläggningstjocklek ≥85 μm (≥120 μm för kustnära korrosiva zoner).

2. Reparation på plats av skadade områden: Sandblästring till kvalitet Sa2.5 → epoxizinkrik grundfärg + mellanskikt + topplack; total torrfilmtjocklek ≥120 μm.

VI. Brandskyddsparametrar

För offentliga byggnader och industrianläggningar, applicera tunnfilm eller ultratunnfilm svällande brandhämmande beläggningar baserat på erforderlig brandklassning (brandmotståndsgränser på 0,5 h, 1,0 h, 1,5 h eller 2,0 h); beläggningens tjocklek måste överensstämma med relevanta standarder.

VII. Installationskontrollparametrar

1. Stödaxelavvikelse ≤±5 mm; höjd av stödets övre yta ≤±3 mm; höjdskillnad mellan intilliggande stöd ≤2 mm.

2. Höghållfast bults slutliga åtdragningsmoment måste strikt följa specificerade värden; gängingreppsdjupet måste överensstämma med designritningarna.

VIII. Referensstålförbrukning (per projicerat område)

Lättvikts dagsljustak: 12–22 kg/m²

Standard industrianläggningar och lokaler: 22–35 kg/m²

Kraftiga torrkolsskjul och tak för tung utrustning: 35–60 kg/m²