Struktura ocelové příhradové skořepiny dlouhého rozpětí

Na rozdíl od konvenčních plochých prostorových rámů nebo portálových pevných rámů, Long Span Steel Lattice Shell Structure využívá zakřivený prostorový mřížkový nosný systém. Zatímco ploché konstrukce primárně spoléhají na ohyb, tento systém dosahuje únosnosti kombinací skořepinového tahu a axiálního působení prostorových prvků.

Tento systém není pouze sestavou jednotlivých prvků, ale kompletním, integrovaným řešením obsahujícím konstrukční uzly, kluzná ložiska, základové prvky odolné proti tlaku, střešní pláště a ochranu proti blesku/korozi. Je speciálně navržen tak, aby řešil strukturální problémy spojené se střechami bez sloupů s rozpětím přesahujícím 60 metrů, složitými zakřivenými geometriemi a místy vystavenými silnému zatížení větrem a sněhem. Díky vyvážení architektonické estetiky s dlouhodobou provozní bezpečností se stala hlavní volbou pro zastřešení ultra-velkých průmyslových objektů a veřejných prostor.

Výběrová kritéria a rozdíly

1.1 Definice odvětví

Long Span Steel Lattice Shell Structure – často označovaná jednoduše jako „ocelová mřížová skořepina“ – je typem zakřivené, vysoce staticky neurčité prostorové mřížkové struktury. Je to v podstatě plochý prostorový rám, který byl vyklenut tak, aby vytvořil souvislý zakřivený povrch, zahrnující sférické, elipsoidní, válcové a hyperbolické geometrie paraboloidů. Definující charakteristikou je generování vnějšího vodorovného obloukového tahu, který vyžaduje podpěry, prstencové nosníky nebo základy odolné vůči tlaku, aby působily proti vnitřním silám. Naproti tomu ploché prostorové rámy nesou zatížení primárně ve vertikálním směru a nevytvářejí žádný horizontální obloukový tah; základní mechanické principy, kterými se oba systémy řídí, jsou zcela odlišné. 

1.2 Vizuální charakteristiky strukturálního chování

- Zatížení prutu: Primárně axiální tah a tlak; absence lokálních ohybových napětí zajišťuje rovnoměrné rozložení napětí.

- Přenos zatížení: Vertikální zatížení střechy se rozloží podél tečného směru zakřiveného povrchu na axiální síly uvnitř pláště; dráha zatížení je krátká, což má za následek minimální ztráty energie.

- Provozní vhodnost: Vysoce staticky neurčitá redundantní struktura; lokalizované selhání člena nespustí globální kolaps a nabízí vynikající odolnost proti náhlému větru, sněhu a seismickým událostem.

1.3 Klasifikace podle rozsahu a konfigurace 3D uzlu

- Jednovrstvý ocelový příhradový plášť: Jednovrstvé uspořádání prvků s velmi nízkou vlastní hmotností; vhodné pro prosklené kopule malého až středního rozpětí (15–60 m) a malé krajinné pavilony; použitelné pouze v oblastech s nízkým zatížením větrem a sněhem; převážně využívá uzly nábojů z lité oceli.

- Dvouvrstvá šroubovaná koulová mřížová skořepina: Dvouvrstvá mřížková konfigurace obsahující horní a spodní pásy se spojovacími prvky; nabízí vysokou tuhost; vhodné pro standardní velkorozponové (30–100 m) uhelné haly a válcové zásobníky; preferovaná volba pro vnitrozemské lokality se standardními větrnými a sněhovými podmínkami.

- Dvouvrstvý svařovaný kulový mřížkový plášť: Vyznačuje se plně penetračním svařováním v kulových uzlech, poskytuje výjimečnou odolnost proti deformaci; vhodné pro ultra velká rozpětí (60–200 m) a skladovací prostory pro velké zatížení v pobřežních oblastech vystavených silnému větru a silnému sněhu.

Kritéria pro výběr primárního materiálu: Ocel Q235B je vybrána pro rozpětí ≤60 ma zatížení střechy ≤0,9 kN/m²; Ocel Q355B se používá pro rozpětí > 60 m, těžké uhelné haly a pobřežní oblasti.

Komplexní systémové součásti ocelových příhradových skořepinových konstrukcí s dlouhým rozpětím

2.1 Strukturální jednotky primární sítě

Obsahuje na zakázku řezané prvky kruhového dutého průřezu (CHS) a tři typy specializovaných uzlů; všechny prvky jsou řezány na konkrétní délky na základě zakřivení povrchu spíše než pomocí standardizovaných délek. Základní materiály zahrnují bezešvé ocelové trubky a vysokofrekvenčně svařované ocelové trubky se specifikacemi od φ60×3,5 do φ219×10. Diferencované scénáře aplikací pro typy uzlů:

- Šroubované duté koule: Nízko zakřivené válcové skořepiny a dvouvrstvé konvenční síťované skořepiny; smontované na místě pomocí šroubů, které nevyžadují žádné svařování na místě.

- Svařované duté koule: Konstrukce s velkým rozpětím, velkým zatížením a tlustou skořepinou; jsou vybaveny vnitřními prstencovými výztužnými žebry, aby odolávaly místní deformaci tlakem.

- Uzly nábojů z lité oceli: Speciálně pro jednovrstvé zakřivené kopule; využívají zásuvná připojení a nabízejí nejvyšší úroveň standardizace komponent.

Související spojovací prvky: Systémy šroubovaných koulí používají standardní vysokopevnostní šrouby Grade 10.9, kónické hlavy, těsnicí desky a objímky; Systémy se svařovanými koulemi postrádají standardní spojovací prvky, spoléhají se výhradně na plně pronikající tupé svary se zkosenými hranami.

2.2 Diferencované podpůrné systémy

Vodorovný obloukový tah síťované skořepiny je 3–5krát větší než u prostorového rámu; nesprávný výběr podpory může přímo vést ke zřícení střechy. Čtyři typy podpor a jejich aplikační scénáře:

- Pevné sklopné podpěry: umístěné v rozích budovy; omezit vertikální a obousměrné horizontální posunutí, nést více než 60 % tahu oblouku skořepiny a umožnit menší rotaci pro zmírnění napětí.

- Jednosměrné posuvné podpěry: Posouvejte v obvodovém nebo radiálním směru; speciálně navrženo tak, aby uvolňovalo tepelný tah způsobený sezónními teplotními rozdíly a zabraňovalo praskání v důsledku tepelné roztažnosti a smršťování.

- Tahové sklopné podpěry: Používají se na pobřežních nebo otevřených, exponovaných místech; odolávat negativním silám sání větru a zabraňovat zvednutí nebo odtržení síťované skořepiny větrem.

- Elastické podpěry: Používají se pro místa s nerovnoměrným sedáním základů nebo pro nepravidelné dvojitě zakřivené síťované skořepiny; přizpůsobit se deformaci základu a upravit rozložení zatížení.

Podpěrné příslušenství: základní desky o tloušťce 18–30 mm, příčná výztužná žebra 12–20 mm, zapuštěné kotevní šrouby Q355B a vyrovnávací/protiskluzové podložky. 

2.3 Podpůrná opatření pro spodní konstrukci a tahový odpor

Standardní izolované kryty pilot nemohou působit proti vnějšímu tahu generovanému síťovanou skořepinou; proto je nutné cílené vyztužení. Základy využívají železobetonové izolované kryty pilot, pásové základy nebo kryty pilot. Na vnější straně základů jsou instalovány zemní nosníky proti zvednutí a betonové pilíře protizávaží, které omezují posun směrem ven. Tolerance rovinnosti pro zapuštěné ocelové ložiskové desky je nastavena na ≤2 mm, aby bylo zajištěno hladké klouzání ložisek.

2.4 Podpůrná opatření pro zastřešení a boční stabilitu

Systém střešního zastřešení se skládá ze tří typů: hliník-hořčík-manganové panely se stojatou drážkou pro zakřivené pláště sudů, tvrzené izolační sklo pro kupole s denním osvětlením a profilované ocelové plechy s barevným povlakem pro uzavřené uhelné haly. Sekundární konstrukční prvky jsou výhradně tvořeny žárově zinkovanými vaznicemi průřezu C a Z, doplněné střešními táhly a okapovými vzpěrami. Boční stabilita je zajištěna vnějším železobetonovým prstencovým nosníkem, který obsahuje celkový tah oblouku, spolu s dodatečným ocelovým ztužením na koncích štítů a mezi sloupy, aby se zabránilo bočnímu posunu na koncích. 

2.5 Integrované systémy antikorozní, ohnivzdorné a bleskové ochrany

- Antikorozní: tloušťka žárově zinkovaného povlaku ≥85μm pro standardní vnitrozemské lokality a ≥120μm pro pobřežní místa vystavená solné mlze; Oprava poškozeného zinkování na místě zahrnuje abrazivní otryskání Sa2,5 s následným třívrstvým epoxidovým nátěrovým systémem bohatým na zinek.

- Požární odolnost: Veřejné prostory jsou potaženy tenkovrstvými intumescentními ohnivzdornými nátěry (určené pro požární odolnost 0,5h–2,0h); uzavřené průmyslové uhelné haly nevyžadují standardní ohnivzdorné nátěry.

- Ochrana před bleskem: Prvky horního pásu slouží jako přirozená síť zachycující blesky, připojená k hlavním výztužným tyčím základu pomocí nosných kotevních šroubů, aby vytvořily úplný zemnící obvod; nejsou nutné žádné další ochranné pásy před bleskem.

Řešení připravená k implementaci

1. Dvouvrstvá síťovaná skořepina se šroubovanými kuličkami: 

Ocelové trubkové prvky + šroubované koule + jednosměrné posuvné kloubové podpěry + pásové základy odolné proti tlaku + ocelový plášť s barevným povlakem; ideální pro uzavřené suché uhelné haly a sila na kamenivo; nejnižší náklady a nejkratší doba výstavby.

2. Dvouvrstvý svařovaný kulový síťovaný plášť: 

Silnostěnné svařované trubky + vyztužené svařované duté koule + pevné podpěry odolné v tahu + základy pilotových patek + hliníkovo-hořčík-manganová střešní krytina; vhodné pro velké kopule na stadionech a letištních terminálech; nabízí nejvyšší redundanci proti zatížení větrem a sněhem.

3. Jednovrstvá ocelová síťovaná skořepina náboje: 

Standardizované zakřivené kruhové trubky + uzly nábojů z lité oceli + lehké sklopné podpěry + zastřešení skleněného světlíku; vhodné do krajinných atrií a malých výstavních síní; nabízí vynikající estetický vzhled.

Klíčové praktické výhody

1. Strukturální efektivita a nákladová efektivita: 

Pro rozpětí 100 m je spotřeba oceli o 18–25 % nižší než u dvouvrstvých plochých prostorových rámů; obloukový efekt skořepiny přirozeně rozděluje zatížení a eliminuje potřebu budoucího strukturálního vyztužení.

2. Všestranná zakřivená geometrie: 

Schopný vytvářet kulové nebo složité dvojitě zakřivené tvary střech; překračuje 36m ekonomický limit rozpětí portálových pevných rámů a splňuje schvalovací požadavky pro jedinečné architektonické formy.

3. Přirozená drenáž a snížené riziko úniku: 

Zakřivená geometrie poskytuje přirozený sklon pro odvodnění, eliminuje potřebu dalších výplňových vrstev pro vytvoření sklonu a snižuje rizika údržby spojená s netěsnostmi střechy a vodním rybníkem.

4. Vysoká stabilita v extrémních podmínkách: 

Jako vysoce staticky neurčitá konstrukce překonává všechny rovinné ocelové konstrukce v odolnosti proti větrům Beaufortovy stupnice 12, vánicím a regionální seismické aktivitě.

5. Modulární konstrukce snižuje rizika ve velkých nadmořských výškách: 

Podporuje integrovanou pozemní montáž následovanou hydraulickým zvedáním; snižuje práce ve vysokých nadmořských výškách o 70 %, čímž se snižuje počet bezpečnostních nehod na místě.

6. Nízké náklady na provoz a údržbu během životního cyklu: 

Jednotné kruhové duté sekce usnadňují odstraňování rzi a kontrolu; zakřivená střecha umožňuje přirozenému stékání dešťové vody a prachu, čímž se frekvence čištění snižuje na polovinu.

Srovnávací analýza s konkurenčními produkty

5.1 Strukturální rozdíly v chování

Portálové tuhé rámy se ohýbají pouze rovinně, jednosměrně; náklady rostou, když rozpětí přesahuje 36 m, a nemohou vytvářet zakřivené tvary. Rámy s plochým prostorem spoléhají čistě na prostorové napětí a stlačení bez horizontálního obloukového tahu; jejich přizpůsobení zakřiveným povrchům vyžaduje četné nestandardní součásti, což zvyšuje náklady o více než 40 %. Ocelové příhradové skořepinové konstrukce s dlouhým rozpětím využívají obousměrné prostorové obloukové působení, díky čemuž jsou přirozeně vhodné pro zakřivené povrchy a nabízejí významné cenové výhody pro ultra velká rozpětí.

5.2 Rozdíly v konstrukci a krytu

Prostorové rámy obecně vyžadují montáž kus po kusu ve výšce, což omezuje flexibilitu místa; ocelové příhradové skořepiny umožňují výběr ze čtyř konstrukčních metod, včetně rotačních posuvných technik vhodných pro stísněné prostory. Pokud jde o kryt, zakřivení ocelového příhradového pláště dokonale lícuje s hliníkovo-hořčíko-manganovými panely a zakřiveným sklem, čímž se eliminuje torzní namáhání střešních panelů a snižuje se riziko budoucího prasknutí.

5.3 Rozdíly v antikorozní úpravě

Konstrukční prvky sestávají výhradně z bezešvých kruhových trubek, které eliminují „mrtvé zóny“ zachycující nečistoty, které se vyskytují u úhelníkové nebo kanálové oceli; tím je zajištěno úplné pokrytí během žárového zinkování a nátěrů, čímž se prodlužuje antikorozní životnost v pobřežních prostředích o 8–12 let ve srovnání s rovinnými prostorovými rámy. Standardizovaný pracovní postup zpracování podle kategorií

6.1 Hlavní pracovní postup zpracování pro dvouvrstvé šroubované kuličkové prostorové rámy

1. Přesné obrábění se šroubovanými kuličkami: Kulatý ocelový výkovek → Dokončení kulového povrchu soustruhem → Vícemístné vrtání a závitování pod určitými úhly/zakřiveními → Magnetická kontrola částic (MPI) pro vnitřní trhliny → Žárové zinkování.

2. Přesné obrábění dílců: CNC řezání ocelových trubek na délku → Obrábění kónických hlav → Plně penetrační obvodové svařování CO2 na obou koncích → Testování ultrazvukem (UT, stupeň II) na 20 % kritických prvků → Tryskání (Sa 2,5) pro odstranění rzi → Žárové zinkování.

3. Zpracování příslušenství: Kalení, temperování a kontrola šroubů třídy 10.9; Současné zinkování pouzder a stavěcích šroubů pro zajištění tolerancí lícování závitu.

4. Tovární předmontáž: Montáž zakřiveného montážního přípravku v měřítku 1:1 → Zkušební montáž vějířových jednotek → Ověření kulového stoupání a hloubky vložení šroubu → Seřízení nestandardních prvků.

5. Zónové balení: Kategorizované balení na základě obvodového a radiálního číslování → Označení pořadí montáže na místě.

6. Instalace na místě: Vyrovnání podpěry → Montáž mřížky spodního pásu → Montáž prvků stojiny a uzavření horního pásu → Finální dotažení vysokopevnostních šroubů → Oprava zinkováním a protipožární nátěr.

6.2 Specializovaný pracovní postup pro dvouvrstvé svařované kulové prostorové rámy

Lisování polokoulí ocelového plechu → Úkosování → Montáž vnitřních prstencových výztužných žeber → Svařování pod tavidlem (SAW) pro uzavření koulí → 100% kontrola svaru UT (II. stupeň) → Broušení a zinkování koulí; Úkosové svařování prvků na kouli s plným průvarem na místě s kontrolou a přejímkou ​​každého svaru.

6.3 Specializovaný pracovní postup pro prostorové rámce jednovrstvého rozbočovače a uzlu

Přesné odlévání ocelových uzlů → Obrábění vícesměrných spojovacích štěrbin → Frézování zakřivených konců trubek → Zkušební montáž ve výrobním závodě → Celkové zinkování; montáž na místě pomocí vložení a zajištění šroubů – na místě není potřeba žádná práce za tepla nebo svařování.

6.4 Standardizovaný pracovní postup zpracování pro podpory

CNC řezání základových desek a výztužných desek → Úkosování, montáž a svařování → Přesné frézování kluzných ploch → Kontrola svarů → Galvanizace kotevních šroubů a kompletní balení sady.

Komplexní anglické výkonové parametry

7.1 Geometrické parametry prutů a styčníků

Běžná specifikace ocelových trubek: φ60×3,5, φ76×4, φ89×4, φ114×4, φ140×6, φ159×8, φ180×10, φ219×10

Běžná rozteč mřížky: 1,5 m ~ 3,5 m pro kulové a válcové mřížové skořepiny

Tolerance obrábění prvku: Celková odchylka délky ±1,0 mm, linearita ≤ L/1000

Šroubovaný kulový uzel: Průměr φ120~φ400mm, tloušťka stěny 12~20mm, tolerance úhlu otvoru pro šroub ±15′

Svařovaný dutý kulový uzel: Průměr φ200~φ500mm, tloušťka stěny 14~22mm s vnitřním výztužným kroužkem

Nosná základní deska: tloušťka 18~30 mm, deska výztuhy 12~20 mm, materiál kotevních šroubů Q355B

7.2 Tabulka mechanických vlastností materiálu

7.3 Parametry rozpětí a nosnosti

Jednovrstvý příhradový plášť ekonomické rozpětí: 15m~60m

Dvouvrstvý šroubovaný kulový příhradový plášť ekonomické rozpětí: 30m~100m

Dvouvrstvý svařovaný kulový příhradový plášť maximální rozpětí: 60m~200m

Index zatížení střechy: Vlastní zatížení 0,35~0,90kN/㎡, provozní zatížení 0,5~1,2kN/㎡; uzavřená uhelná hala živé zatížení až 2,5 kN/㎡

Kontrola deformace teploty: Ultra dlouhé válcové skořepiny musí mít jednosměrné posuvné podpěry, aby se uvolnil tah teplotního oblouku

7.4 Normy kontroly svarů

Šroubovaný kulový obvodový svar: svar 2. stupně, 20% ultrazvuková kontrola UT pro klíčové členy, 100% kontrola pro národní klíčové projekty

Svařovaný kulový tupý svar: Svar s plným průvarem třídy 2, 100% UT kontrola pro vysoce zatížené příhradové skořepiny

7.5 Technický index proti korozi a ohni

Tovární žárové zinkování: ≥85μm pro vnitrozemské oblasti, ≥120μm pro oblasti pobřežní slané mlhy

Standard opravy na místě: pískování Sa2,5, celková tloušťka suchého filmu ≥120μm pro třívrstvý nátěrový systém

Doba požární odolnosti: 0,5h/1,0h/1,5h/2,0h pro tenkovrstvý protipožární nátěr veřejných budov

7.6 Kontrola přesnosti instalace na místě

Odchylka prstencového nosníku a osy podpěry ≤ ± 5 mm, odchylka elevace podpěry ≤ ± 3 mm

Výšková odchylka sousedních podpěr ≤ 2 mm, celková odchylka zdvihu pláště ≤ 1/1000 konstrukční výšky

7.7 Projekt Reference spotřeby oceli (Projekční oblast)

Jednovrstvá kupole denního osvětlení: 10~20kg/㎡

Dvouvrstvá válcová skořepina pro běžné prostory: 20~33 kg/㎡

Dvouvrstvý uzavřený mřížkový plášť uhelné haly: 33~55kg/㎡

Metody instalace na místě přizpůsobené podmínkám projektu

Schémata instalace pro ocelové příhradové skořepinové konstrukce s dlouhým rozpětím se vybírají na základě podmínek na místě, aby se vyřešily problémy, jako je omezený prostor a omezení přístupu jeřábu:

1. Velkoobjemová montáž: Vhodné pro roztroušená místa s malým rozpětím, není potřeba žádné velké zvedací zařízení

2. Sestavení bloku: Rozdělte plášť na bloky ve tvaru vějíře, sestavte na zemi a zvedněte samostatně

3. Celkové hydraulické zvedání: Upřednostňuje se pro haly s velkým rozpětím, minimalizuje provozní rizika ve velkých nadmořských výškách

4. Rotační posuvná instalace: Vhodné pro úzké pobřežní oblasti s omezeným poloměrem otáčení jeřábu

FAQ

Q1 Jak si mohu rychle vybrat mezi jednovrstvými a dvouvrstvými ocelovými příhradovými konstrukcemi s dlouhým rozpětím?

Pro rozpětí ≤ 60 m v nepobřežních oblastech bez akumulace sněhu a s vysokými požadavky na přirozené osvětlení je preferován jednovrstvý příhradový plášť uzlu náboje (30 % nižší cena). Pro rozpětí >60 m nebo v případě pobřežních, těžkých sněhových nebo těžkých zátěží (skladování materiálu) je dvouvrstvý příhradový plášť povinný, aby se zabránilo lokální nestabilitě ve vzpěru spojené s jednovrstvými konstrukcemi.

Q2 Lze u příhradových plášťů vynechat posuvné podpěry?

Ne. U plášťů hlavně delších než 45 m nebo kupolí o průměru větším než 50 m generuje tepelná deformace vnitřní tlakové síly daleko přesahující únosnost oceli; vynechání kluzných podpěr by přímo způsobilo ohnutí nebo zlomení prvku.

Q3 Lze sekundární řezání nebo vrtání provádět na místě po žárovém zinkování?

Sekundární řezání nebo vrtání je zakázáno. Všechna umístění otvorů a délky členů jsou prefabrikovány v továrně, pouze šroubová montáž se provádí na místě; řezání poškozuje galvanizovaný povlak, který nelze plně opravit, což výrazně snižuje životnost konstrukce odolné proti korozi.

Q4 Jaký je rozdíl v dlouhodobých nákladech na provoz a údržbu mezi ocelovými příhradovými skořepinami a prostorovými rámy?

Při stejném rozpětí nabízí zakřivený povrch mřížového pláště vynikající samočistící schopnosti, což snižuje roční náklady na čištění střechy o 45 %. Navíc axiálně zatěžované členy netrpí ohybem způsobeným únavou, což eliminuje potřebu konstrukčního vyztužení do 30 let; výkon O&M je tedy mnohem lepší než u rámů s plochým prostorem.

Výhody služby HAISHENG

1. Předběžný výběr a návrh konstrukce: Předprodejní služby zahrnují poskytování doplňkových specializovaných výkresů pro rozložení ložisek a vyztužení věncových nosníků – na základě místních parametrů větru/sněhu, seismické intenzity a geologických podmínek – aby se předešlo chybám v návrhu týkající se bočního odporu základu.

2. Komplexní dvojjazyčná dokumentace: Poskytování úplné dokumentace v angličtině i čínštině – včetně materiálových zpráv, zpráv o ultrazvukovém testování (UT) svarů, certifikátů galvanizace a výpočtů konstrukce instalace – pro přímé splnění požadavků zámořských dozorců a celního odbavení.

3. Ochranné balení pro přeshraniční přepravu: Kulové uzly jsou jednotlivě zabaleny v bublinkové fólii; štíhlé členy jsou svázány na ocelových stojanech s ochrannými rohy; a všechny položky jsou vybaveny utěsněným obalem odolným vůči slané vodě, který je vhodný pro námořní přepravu.

4. 24/7 dvojjazyčná vzdálená technická příručka: Podpora videa v reálném čase pokrývající vyrovnávání kluzných ložisek, postupné utahování šroubů a spojování prstencových nosníků.

5. Komplexní záruční krytí: 5letá záruka na konstrukci na hlavní prvky; antikorozní záruky na žárově zinkovaný povlak (15 let pro vnitrozemské oblasti, 8 let pro pobřežní oblasti); a doživotní dostupnost náhradních dílů pro spojovací uzly.