Сталева каркасна конструкція великого прольоту

Основні визначення продукту

1. Загальне визначення

Відповідно до Стандарту проектування сталевих конструкцій (GB 50017), просторові гратчасті дахові конструкції з прольотом 60 метрів або більше класифікуються як сталеві каркасні конструкції великого прольоту. Вони зібрані зі сталевих трубчастих елементів і сферичних з’єднань у геометричні системи, такі як чотирикутні або трикутні піраміди. Це дуже статично невизначені просторові системи, де навантаження розподіляються глобально, а елементи переважно зазнають осьового розтягу або стиснення. Вони забезпечують високу загальну жорсткість і створюють відкриті простори без колон, що робить їх ідеальними для стадіонів, виставкових центрів, станцій високошвидкісних залізниць, навісів для зберігання вугілля, терміналів аеропортів тощо.

2. Конкретне визначення: Space Frame Foundation (Опорна основа)

Фундамент просторової рами — це підконструкція, як правило, бетонна або пальова, яка підтримує опори просторової рами та передає всі навантаження від верхньої конструкції (осьові сили, сили зсуву, згинальні моменти, горизонтальні сили та сейсмічні сили) на землю; він служить конструктивною основою для каркаса простору.

· Структурні характеристики: піддається впливу вертикального тиску, горизонтальної тяги, сил підйому та крутного моменту; вимагає надзвичайно високої точності щодо осідання, висоти та розміщення вбудованих частин.

· Ключові контрольні точки: диференціальне осідання може безпосередньо спричинити розтріскування в місцях з’єднань просторової рами та нестабільність елементів, що робить це критичним фактором успіху чи невдачі просторових рам великого прольоту.

3. Розрізнення термінології загального простору

· Корпус просторової рами: верхня просторова сітка (члени + сферичні з’єднання);

· Підшипник просторової рами: компонент, що передає навантаження, що з’єднує просторову раму з фундаментом;

· Космічний каркасний фундамент: залізобетонна конструкція, воріт палі або ізольована опора, розташована під опорою.

Повна конфігурація системи

Частина 1: Основна система рами верхнього простору (первинна несуча конструкція)

1. Структурна система (основні параметри)

· Просторова рамка ортогональної квадратної піраміди: найбільш широко використовується; забезпечує рівномірну жорсткість і зручний монтаж даху; кращий вибір для прямокутних слідів.

· Космічна рама «Діагональна квадратна піраміда»: чудові конструктивні характеристики та дещо менше споживання сталі; підходить для середніх і великих прольотів.

· Просторова рама трикутної піраміди: висока просторова стабільність; підходить для круглих або багатокутних слідів.

· Зварна кулькова просторова рама: підходить для великих навантажень, надвеликих прольотів (понад 80 м), важких покрівельних систем та умов високого навантаження.

· Космічна рама з кульковими болтами: підходить для менших навантажень і стандартних великих прольотів; характеризується заводським виготовленням, збіркою на місці та швидким будівництвом.

2. Конфігурація основного матеріалу (стандартні характеристики)

· Члени: безшовні сталеві труби або прямошовні зварні труби; Матеріал: Q355B (основний для великих прольотів); Загальні характеристики: Φ114×4, Φ140×6, Φ159×8, Φ219×10; Q235B можна використовувати для менших прольотів.

· Кулі для суглобів:

o Болтові кульки: Φ200–Φ400; товщина стінки ≥12 мм; Матеріал: Q355B.

o Зварні кулі: Φ250–Φ500; товщина стінки ≥14 мм; містить внутрішні ребра жорсткості.

· З’єднувачі: високоміцні болти Grade 10.9 (спеціалізовані для просторових рам); включає відповідні конічні головки, торцеві пластини, втулки та кріпильні гвинти.

3. Компоненти покрівлі та корпусу (повна система покрівлі)

· Панелі даху: алюмінієво-магнієво-марганцеві панелі зі стоячим швом, профільовані кольорові сталеві листи та панелі денного освітлення (локалізовані).

· Вторинна конструкція даху: сталеві балки C/Z-профілю (гаряче оцинковане зануренням Q355B, товщина покриття ≥80 мкм), стрижні для даху та стійки.

· Гідроізоляція та ізоляція: ізоляційний шар з кам’яної вати або скловати, водонепроникна дихаюча мембрана, жолоби, водостічні труби та ковпаки для коньків.

Частина II: Несуча система просторової рами (ядро для передачі навантаження між верхньою та нижньою конструкціями)

Підшипники служать єдиними вузлами передачі навантаження між каркасом і бетонним фундаментом; Вибір великопролітних конструкцій повинен ґрунтуватися на конкретних вимогах до навантаження:

1. Підшипники стиснення з плоскою пластиною: витримують лише вертикальне стиснення; використовується для крайових опор і ділянок з низькими горизонтальними зусиллями.

2. Односпрямовані/двонаправлені підшипники ковзання: знімають термічну напругу та пристосовуються до теплового розширення/скорочення; необхідний для каркасів великого прольоту.

3. Шарнірні підшипники (сферичні шарнірні підшипники): Дозволяють обертання та різнонаправлену передачу сили; використовується на кутах, у зонах із високими горизонтальними зусиллями та в зонах із суворими сейсмічними вимогами.

4. Підшипники розтягування (підшипники, стійкі до підйому): використовуються на карнизах, консолях і місцях, які піддаються значному всмоктуванню вітром, щоб запобігти підйому рами.

Аксесуари для підшипників: опорні плити, ребра жорсткості, анкерні болти та регулювальні прокладки (для регулювання рівня та висоти).

Частина III: Система нижнього фундаменту

Вибір базується на геологічних умовах, класифікації прольоту та навантаження; переважаючим вибором для довгопролітних конструкцій є комбінація «пальа плюс палі-головка»:

I. Поширені типи фундаментів

1. Залізобетонні ізольовані фундаменти: Прольоти 60-80м, сприятливі геологічні умови, помірні навантаження.

2. Стрічкові фундаменти (суцільні основи): подовжені просторові каркаси, суцільні опори, вимоги до високого опору горизонтальним зусиллям.

3. Пальові фундаменти з пальовими головками (бажано для великих прольотів): прольоти понад 80 м, м’які ґрунтові основи, великі навантаження, зони високої сейсмічної інтенсивності.

o Типи паль: буронабірні палі, палі збірних труб.

o Насадки на палі: квадратні/прямокутні залізобетонні насадки на палі (бетон C30/C35).

4. Плотові фундаменти: Проекти з надзвичайно великою площею поверхні, складними геологічними умовами та суворими вимогами до контролю різного осідання.

II. Core Foundation Structure and Embedded Parts

1. Міцність бетону: ковпаки паль/основна частина фундаменту C30–C35; сліпучий бетон С15;

2. Вбудовані частини основи:

o Вбудовані сталеві пластини для опор: товщиною 16–20 мм, приварені до арматури головки палі;

o Вбудовані анкерні болти: для кріплення опор просторової рами; Сталеві болти Q355 у комплекті з гайками та опорними пластинами;

3. Контроль точності (Обов'язкові стандарти для великопролітних конструкцій):

o Відхилення осі ≤ ±5 мм;

o Відхилення висоти верхньої поверхні ≤ ±3 мм;

o Різниця у висоті між опорами в межах одного прольоту ≤ 2 мм.

Частина IV: Системи кріплення та стійкості

Сталеві каркасні конструкції великого прольоту включають значну висоту та значні горизонтальні сили (вітер, сейсмічні); комплексна система стійкості обов'язкова:

1. Внутрішні кріпильні елементи просторової рами: вертикальні/діагональні елементи перетинки між верхнім і нижнім поясами (невід’ємна частина каркасної рами);

2. Міжколонне кріплення: поперечне кріплення (кутова сталь або сталева труба) між бетонними колонами для протидії поздовжнім горизонтальним силам;

3. Горизонтальні розкоси даху: Горизонтальні зв’язки та діагональні розкоси в межах площини верхнього поясу, що утворюють жорстку діафрагму даху;

4. Простірні рами карнизів і фронтонів: закривають кінці, підвищують загальну жорсткість і протистоять вітровим навантаженням;

5. Наколінники/стяжки: компоненти поперечної стійкості для прогонів (дотримуючись тієї ж логіки, що й покрівля з легкої сталі).

Частина V: Системи захисту від корозії, протипожежного та блискавкозахисту

1. Антикорозійний

· Компоненти заводського виготовлення: Гарячеоцинкований комбінезон (товщина цинкового покриття ≥85 мкм); збільшена товщина для прибережних або хімічних промислових зон;

· Зварні шви на місці та ремонтні зварні ділянки: Абразивоструминна обробка для видалення іржі + епоксидна цинк-ґрунтовка + верхнє покриття;

· Сферичні вузли та болти: Заводське оцинкування; різання на місці, яке пошкоджує покриття, заборонено.

2. Протипожежний захист

· Нанесення спеціалізованих вогнезахисних покриттів (надтонких або тонкоплівкових типів) в залежності від вогнестійкості будівлі; показник вогнестійкості від 1,0 год до 2,0 год;

· Особлива увага до покриття опор, вбудованих деталей і болтів. 3. Блискавкозахист

·Верхній пояс просторової рами виконує функцію кінцевої системи;

· Токопроводи, утворені через опори, анкерні болти та арматуру фундаменту;

· Заземлюючі електроди, встановлені всередині фундаменту та підключені до основної мережі блискавкозахисту будівлі.

Частина 6: Підтримка встановлення та будівництва

1. Методи встановлення: поштучне складання на великій висоті, модульний підйом, інтегральний підйом, кумулятивне ковзання (основний для великих прольотів);

2. Основне обладнання: тахеометр, рівень, динамометричний ключ, гідравлічна система підйому/ковзання, великі крани, козлові крани;

3. Допоміжні матеріали: спеціальне мастило для високоміцних болтів, герметик, прокладки, тимчасові опорні рами, відтяжки.

Повний список компонентів

1. Верхня просторова рама: сталеві трубчасті елементи + болтові сфери/зварні сфери + високоміцні болти + конічні головки/торцеві пластини;

2. Покрівельна система: панелі даху + C/Z-прогони + ізоляція та гідроізоляція + жолоби та водостічні труби;

3. Несучі опори: фіксовані/розсувні/сферичні/стійкі до підйому опори + анкерні болти + вбудовані сталеві пластини;

4. Підконструкція/Фундамент: ізольовані фундаменти/стрічкові фундаменти/ковпаки паль (арматура + бетон + вбудовані частини);

5. Стабільність кріплення: міжколонне кріплення, горизонтальне кріплення даху, просторові рами з фронтонами;

6. Системи захисту: гаряче цинкування (антикорозійне), вогнестійкі покриття, блискавкозахист і заземлення;

7. Допоміжні засоби встановлення: тимчасові опори, підйомне обладнання, геодезичні інструменти, кріпильні засоби.

Стандартний легкий сталевий дах у порівнянні зі сталевою каркасною конструкцією великого прольоту

·Стандартний легкий сталевий дах: переважно портальні жорсткі рами; проліт < 60м; відсутня система просторової сітки;

· Сталева каркасна конструкція великого прольоту: проліт ≥ 60 м; просторова сіткова структура; спирається на цілісну просторову несучу дію; вимоги до фундаментів, опор і точності значно вищі, ніж до легких металоконструкцій.

Основні переваги

1. Можливість надзвичайно великого прольоту дозволяє створювати конструкції без колон, що максимізує використання внутрішнього простору.

2. Тривимірна структурна поведінка забезпечує збалансований розподіл навантаження та відмінну стійкість до сейсмічних сил і тиску вітру.

3. Легкий, але жорсткий; конструкція протистоїть загальній деформації та провисанню.

4. Компоненти, виготовлені на заводі, дозволяють швидко зібрати на місці.

5. Гнучка геометрія підтримує різні форми, включаючи плоскі, вигнуті, сферичні та неправильні куполи.

6. Стабільна та міцна структура; тривалий термін служби при антикорозійній обробці.

Диференціація основних моментів

I. Переваги конструктивних характеристик

1. Тривимірний розподіл навантаження: на відміну від портальних рам або суцільних балок (які піддаються згину та зсуву), елементи просторової рами в першу чергу відчувають осьовий натяг і стиснення. Це забезпечує ефективне використання матеріалу та зменшення власної ваги. Навантаження від дуже великих прольотів рівномірно розподіляються між опорами, мінімізуючи точкові навантаження та зменшуючи витрати на фундамент.

2. Дуже статично невизначена структура: забезпечує значне резервування безпеки; відмова одного члена не спричинить повного краху. Він перевершує планарні ферми та портальні рами щодо стійкості до землетрусів, вітру, снігу та нерівностей, що робить його ідеальним для великих громадських будівель, таких як стадіони, навіси для зберігання вугілля та термінали аеропорту.

3. Великі простори без колон: легко досягає чистих прольотів 60–150 метрів. Навпаки, портальні рами зазвичай мають економічну межу прольоту ≤36 метрів, а сталеві ферми з великим прольотом часто не є економічно ефективними; просторові рами створюють просторі, безперешкодні інтер’єри без колон.

II. Основні матеріали та вартість

1. Знижене споживання сталі для еквівалентних прольотів

Для застосувань із великим прольотом споживання сталі на одиницю проектованої площі нижче, ніж у сталевих ферм або суцільних покрівельних балок. Космічні рами з болтовими кульками виграють від стандартизованого фабричного масового виробництва та низьких витрат через масову закупівлю первинних матеріалів (сталеві труби та сталеві кульки).

2. Широка адаптивність до навантажень

Підходить для широкого спектру застосувань, від легких засклених дахів до важких сухих вугільних сараїв і дахів, що несуть обладнання. Вибір матеріалу можна гнучко регулювати, щоб контролювати витрати, використовуючи сталь Q235 для менших навантажень і Q355 для більших навантажень.

III. Основні моменти виробництва та обробки

1. Стандартизовані фабрично виготовлені просторові рами з кульковими болтами: сталеві трубчасті елементи розрізаються на необхідну довжину, головки конусів і торцеві пластини попередньо збираються, а сталеві кульки обрізаються — все це відбувається в майстерні — перед сортуванням і упаковкою. Робота на місці обмежується складанням і закручуванням високоміцних болтів з мінімальною необхідністю зварювання. Навпаки, ферми та жорсткі рами часто вимагають значного зрощування та зварювання на місці.

2. Висока універсальність компонентів: одна просторова рама використовує обмежений діапазон кульок, болтів і сталевих трубок, що забезпечує високу взаємозамінність деталей. Це полегшує масове виробництво, управління запасами та майбутнє технічне обслуговування чи заміну.

IV. Відмінності конструкції та монтажу

1. Гнучкі та різноманітні способи монтажу: різні методи, такі як поштучне складання на висоті, блоковий підйом, інтегрований гідравлічний підйом та кумулятивне ковзання, дозволяють будувати у великих, надвисоких або обмежених просторах. Навпаки, портальні жорсткі рами та ферми значно обмежені радіусами роботи крана.

2. Контрольована швидкість будівництва: одночасне заводське виготовлення та монтаж на місці скорочують загальний графік проекту. Відсутність масштабних зварювальних робіт на місці зменшує потребу в дефектоскопії та антикорозійній доопрацюванні.

V. Переваги в покрівельній та архітектурній формі

1. Висока здатність до формування: можливі прямокутні, круглі, еліптичні, сферичні та подвійно вигнуті форми. Жорсткі каркаси та плоскі ферми важко створюють вигнуті дахи з великим прольотом, що робить просторові каркаси ідеальними для структур унікальної форми, таких як виставкові центри та спортивні стадіони.

2. Зручне розташування даху: рівномірне регулярне розташування вузлів верхнього поясу полегшує впорядковане розміщення прогонів, панелей даху та смуг світлового вікна. Це спрощує конструкцію дахових огороджень і пропонує більшу гнучкість у проектуванні дренажних систем і макетів мансардних вікон.

VI. Переваги в довговічності: антикорозійний і протипожежний захист

1. Тонкі однорідні елементи та зріле гаряче цинкування: сталеві труби та кульки можна повністю гаряче оцинкувати на заводі без «мертвих зон», виявлених у структурних секціях, що забезпечує чудову антикорозійну якість порівняно з жорсткими рамами Н-подібного профілю. Це забезпечує значну перевагу терміну служби в прибережних або хімічно корозійних середовищах.

2. Просте нанесення вогнезахисних покриттів: завдяки окремим елементам і керованим площам поверхні нанесення тонкоплівкових вогнезахисних покриттів є більш ефективним і швидшим, ніж покриття великих суцільних балок і колон.

VII. Основні моменти експлуатації та технічного обслуговування після будівництва

1. Легкий з низьким навантаженням на обслуговування даху; просте планування доріжок для обслуговування;

2. Чітка структурна поведінка; окремі пошкоджені елементи можна замінити в певних точках без значного демонтажу або модифікації даху, що призводить до низьких витрат на технічне обслуговування.

VIII. Коротке порівняння з конкуруючими системами

1. Портальні жорсткі рами: підходять для малих і середніх прольотів; планарна структурна поведінка; спирається на гнучкі елементи; низька вартість; економічна ефективність різко падає для прольотів понад 36 м;

2. Сталеві ферми: планарна структурна поведінка; слабка бічна жорсткість; висока власна вага для великих прольотів; вимагає значних зварювальних робіт на місці;

3. Сталеві просторові каркаси: просторова структурна поведінка; кращий вибір для надвеликих прольотів; висока жорсткість; гнучка геометрія; високий запас міцності.

Стандартний процес виготовлення

I. Процес виготовлення сталевих кульок

1. Різання та кування: пиляння круглої сталевої заготовки → Середньочастотне нагрівання та кування в грубі сталеві кулькові заготовки;

2. Механічна обробка: Токарна обробка сферичної поверхні → Багатокутне свердління отворів під болти та нарізування різьблення на індексному свердлильному верстаті згідно з кресленнями;

3. Перевірка та НК: перевірка різьби; магнітно-порошковий контроль (MPT) для виявлення тріщин;

4. Anti-corrosion: Overall hot-dip galvanizing.

Зварні кулі: штампування сталевої пластини у дві півсфери → Зняття фасок → Збірка внутрішніх кільцевих ребер жорсткості → Дугове зварювання під флюсом для з'єднання півсфер → NDT → Шліфування → Цинкування.

II. Процес виготовлення елемента просторової рами

1. Різання сталевих труб: різання фіксованої довжини безшовних або зварних труб за допомогою пил з ЧПУ; включений припуск на зварювальну усадку; плоскі торці;

2. Виготовлення головки конуса та торцевої пластини: точіння поковок у формі;

3. Складання та зварювання: попереднє складання головок конусів/торцевих пластин на кінцях труб; позиціонування за допомогою інструментів; зварювання по окружності з повним проплавленням CO₂;

4. НК зварного шва: ультразвуковий контроль (UT) для критичних елементів з великим прольотом; вибіркові перевірки зварних швів класу II;

5. Випрямлення та видалення іржі: випрямляючі елементи; дробеструйна обробка до марки Sa2,5;

6. Антикорозія: загальне гаряче цинкування.

III. Обробка високоміцних болтових вузлів

1. Різання круглої сталі → Загартування та відпустка → Зовнішнє точіння → Накочування різьби;

2. Випробування на твердість, дефектоскопія та гаряче цинкування; одночасна обробка та цинкування відповідних гільз і установочних гвинтів.

IV. Попереднє заводське складання

1. Відібрати 1–2 стандартні одиниці для пробної збірки на пристосуванні;

2. Перевірте вирівнювання кульового отвору, глибину введення болта та загальну довжину елемента;

3. Налаштуйте розміри нестандартних деталей, щоб забезпечити плавне складання на місці.

V. Упаковка та класифікація

Номер компонентів за зоною та специфікацією; пакуйте елементи, сталеві кульки та болти окремо; позначте номерами осей.

VI. Процедури складання на місці

1. Зйомка та планування; вирівнювання та розташування опор;

2. Виконання на основі плану будівництва: поштучна збірка на висоту / блоковий підйом / інтегральний підйом;

3. Спершу зберіть нижні кулі пояса та елементи → встановіть перетинки → зберіть верхній пояс; затягніть високоміцні болти Grade 10.9 відповідно до розрахункового крутного моменту за допомогою динамометричного ключа;

4. Огляд підпункту, підправка антикорозійного покриття на зварних швах, нанесення вогнетривкого покриття.

Примітка: відмінності для зварних кулькових каркасів

Зварювання стиків повним проплавленням на місці; дефектоскопія кожного шва; немає процесу затягування високоміцних болтів.

Ключові параметри продуктивності

I. Геометричні характеристики основних компонентів

1. Сталеві трубчасті елементи просторової рами (Q235B/Q355B; Q355B бажано для великих прольотів)

Загальні діаметри труб × товщина стінки: φ60×3,5, φ76×4, φ89×4, φ114×4, φ140×6, φ159×8, φ180×10, φ219×10

Довжина готового елемента: 1,0 м–3,5 м (стандартний розмір сітки: 1,5 м–3,0 м);

Допуск прямолінійності виготовлення: ≤L/1000; відхилення перпендикулярності торця: ≤0,5 мм.

2. Болтові сфери

Діаметр кулі: φ100, φ120, φ140, φ160, φ180, φ200–φ400;

Товщина стінки: 12–20 мм; кутовий допуск для різьбових отворів на поверхні сфери: ±15′.

3. Супутні кріплення

Високоміцні болти класу 10.9: М12, М14, М16, М20, М22, М24, М27, М30; комплектуючі: гільзи, конічні головки, торцеві пластини, стопорні гвинти.

4. Опорні пластини

Товщина опорної плити: 16–30 мм; товщина пластини жорсткості: 12–20 мм; вбудовані анкерні болти: Q355.

II. Механічні властивості матеріалу

III. Конструкційні несучі характеристики

1. Характеристики несучої навантаження: усі елементи великопролітної сталевої просторової каркасної конструкції піддаються осьовому розтягу або стисненню; немає згинальних елементів; це дуже статично невизначена структура; невдача окремих членів не викликає загального краху.

2. Типові застосовні прольоти

1. Болтово-сферічні просторові рами: 12м–80м;

2. Каркаси зварні сферичні: 50–180 м (для надвеликих прольотів і великих навантажень). 3. Типові значення навантаження на дах: Власне навантаження 0,30–0,80 кН/м²; робоче навантаження 0,5–1,0 кН/м²; важкі конструкції (наприклад, навіси для сухого вугілля) можуть перевищувати 2,0 кН/м².

4. Термічна деформація: ковзні опори повинні бути встановлені для прольотів, що перевищують 60 м в одному напрямку, щоб зменшити напругу теплового розширення/стиску.

IV. Стандарти зварювання та дефектоскопії

1. Окружні зварні шви між елементами та головками конусів: зварні шви II ступеня; 100% ультразвукове випробування (UT) для критичних елементів з великим прольотом; 20% випадкова вибірка для стандартних учасників.

2. Стикові зварні шви для зварних сфер: зварні шви II ступеня; 100% виявлення недоліків для критичних проектів.

V. Антикорозійні параметри

1. Заводська готова продукція: гаряче цинкування; товщина цинкового покриття ≥85 мкм (≥120 мкм для прибережних корозійних зон).

2. Ремонт пошкоджених ділянок на місці: піскоструминна обробка до класу Sa2.5 → епоксидна цинк-ґрунтовка + проміжне покриття + верхнє покриття; загальна товщина сухої плівки ≥120 мкм.

VI. Параметри протипожежного захисту

Для громадських будівель і промислових підприємств нанесіть тонкоплівкові або ультратонкі плівкові спучувані вогнезахисні покриття на основі необхідної вогнестійкості (межі вогнестійкості 0,5 год, 1,0 год, 1,5 год або 2,0 год); товщина покриття повинна відповідати відповідним стандартам.

VII. Параметри контролю установки

1. Відхилення опорної осі ≤±5 мм; висота верхньої поверхні опори ≤±3 мм; перепад висот між сусідніми опорами ≤2 мм.

2. Момент остаточного затягування високоміцного болта повинен суворо відповідати вказаним значенням; Глибина зачеплення різьблення повинна відповідати проектним кресленням.

VIII. Базове споживання сталі (на проектовану площу)

Легкі денні дахи: 12–22 кг/м²

Стандартні промислові підприємства та місця: 22–35 кг/м²

Надміцні вугільні сараї та дахи, на яких розміщено важке обладнання: 35–60 кг/м²