Structură cu zăbrele din oțel cu deschidere lungă

Spre deosebire de cadrele spațiale plate convenționale sau cadrele rigide portal, Structura de carcasă cu zăbrele din oțel cu deschidere lungă utilizează un sistem de susținere cu grilă spațială curbată. În timp ce structurile plane se bazează în primul rând pe acțiunea de îndoire, acest sistem atinge capacitatea portantă printr-o combinație de forță de arc și acțiunea axială a elementelor spațiale.

Acest sistem nu este doar un ansamblu de elemente individuale, ci o soluție completă, integrată, care cuprinde noduri structurale, lagăre de alunecare, elemente de fundație rezistente la împingere, învelișuri de acoperiș și protecție împotriva trăsnetului/coroziv. Este proiectat special pentru a aborda provocările structurale asociate cu acoperișurile fără stâlpi care depășesc 60 de metri în deschidere, geometriile curbe complexe și site-urile supuse unor sarcini puternice de vânt și zăpadă. Echilibrând estetica arhitecturală cu siguranța operațională pe termen lung, a devenit o alegere principală pentru acoperișul instalațiilor industriale cu deschidere foarte mare și a locurilor publice.

Criterii de selecție și distincții

1.1 Definiția industriei

Structura cu zăbrele din oțel cu deschidere lungă - denumită adesea pur și simplu "coaja cu zăbrele de oțel" - este un tip de structură de grilă spațială curbată, extrem de nedeterminată din punct de vedere static. Este în esență un cadru spațial plat care a fost arcuit pentru a forma o suprafață curbă continuă, cuprinzând geometrii paraboloide sferice, elipsoidale, cilindrice și hiperbolice. Caracteristica definitorie este generarea de împingere orizontală a arcului spre exterior, necesitând suporturi, grinzi inelare sau fundații rezistente la împingere pentru a contracara forțele interne. În schimb, cadrele spațiale plate suportă sarcini în principal în direcția verticală și nu generează tracțiune orizontală a arcului; principiile mecanice fundamentale care guvernează cele două sisteme sunt complet diferite. 

1.2 Caracteristicile vizuale ale comportamentului structural

- Încărcare membru: în primul rând tensiune axială și compresie; absența tensiunilor locale de încovoiere asigură o distribuție uniformă a tensiunilor.

- Transferul sarcinii: sarcinile verticale pe acoperiș sunt rezolvate de-a lungul direcției tangențiale a suprafeței curbe în forțe axiale în interiorul carcasei; traseul de sarcină este scurt, rezultând pierderi minime de energie.

- Adecvare operațională: O structură redundantă extrem de nedeterminată static; Eșecul localizat al membrului nu declanșează colapsul global, oferind o rezistență superioară împotriva vântului brusc, zăpezii și evenimentelor seismice.

1.3 Clasificarea în funcție de interval și de configurație a nodului 3D

- Înveliș cu zăbrele din oțel cu un singur strat: Dispoziție de elemente cu un singur strat cu greutate proprie foarte scăzută; potrivit pentru cupole vitrate cu deschidere mică până la medie (15–60 m) și pavilioane mici de peisaj; aplicabil numai în regiunile cu încărcături reduse de vânt și zăpadă; utilizează predominant noduri de butuc din oțel turnat.

- Înveliș cu zăbrele cu bile cu șuruburi cu două straturi: Configurație grilă cu două straturi care cuprinde coarde de sus și de jos cu elemente de legătură; oferă o rigiditate ridicată; potrivit pentru magazii de cărbune standard cu deschidere mare (30–100 m) și carcase de depozitare cilindrice; alegerea preferată pentru locurile interioare cu condiții standard de vânt și zăpadă.

- Înveliș cu zăbrele sudate cu bile dublu strat: Dispune de sudare cu penetrare completă la nodurile sferice, oferind o rezistență excepțională la deformare; potrivit pentru deschideri foarte mari (60–200 m) și instalații de depozitare a încărcăturii grele din regiunile de coastă supuse vântului puternic și zăpezii abundente.

Criterii de selecție a materialului primar: Oțelul Q235B este selectat pentru deschideri ≤60m și sarcini pe acoperiș ≤0,9 kN/m²; Oțelul Q355B este utilizat pentru deschideri > 60 m, hale de cărbune cu încărcături grele și regiuni de coastă.

Componente de sistem cuprinzătoare ale structurilor de carcasă cu zăbrele din oțel cu deschidere lungă

2.1 Unități structurale ale rețelei primare

Cuprinde elemente de secțiune circulară tubulară (CHS) tăiate la comandă și trei tipuri de noduri specializate; toate elementele sunt tăiate la lungimi specifice pe baza curburii suprafeței, mai degrabă decât folosind lungimi standardizate. Materialele de bază includ țevi de oțel fără sudură și țevi de oțel sudate de înaltă frecvență, cu specificații variind de la φ60×3,5 la φ219×10. Scenarii de aplicare diferențiate pentru tipurile de noduri:

- Sfere goale cu șuruburi: carcase cilindrice cu curbură joasă și carcase reticulate convenționale cu două straturi; asamblat la fața locului folosind șuruburi, care necesită sudură la fața locului zero.

- Sfere goale sudate: structuri cu deschidere mare, cu sarcină grea și cu carcasă groasă; prezintă nervuri inelare interne de rigidizare pentru a rezista la deformarea locală prin strivire.

- Noduri de butuc din oțel turnat: Special pentru cupole curbate cu un singur strat; utilizați conexiuni plug-in și oferă cel mai înalt nivel de standardizare a componentelor.

Elemente de fixare asociate: sistemele cu sfere cu șuruburi folosesc șuruburi de înaltă rezistență, capete conice, plăci de etanșare și manșoane standard de gradul 10.9; Sistemele cu sfere sudate nu dispun de elemente de fixare standard, bazându-se în întregime pe suduri cap la cap cu penetrare completă cu margini teșite.

2.2 Sisteme de suport diferențiate

Împingerea orizontală a arcului unei cochilii reticulate este de 3-5 ori mai mare decât a unui cadru spațial; selectarea incorectă a suportului poate duce direct la prăbușirea acoperișului. Patru tipuri de suporturi și scenariile lor de aplicare:

- Suporturi fixe cu balamale: Amplasate la colturile cladirii; limitează deplasarea orizontală verticală și bidirecțională, suportă peste 60% din forța arcului carcasei și permite o rotație minoră pentru a elibera stresul.

- Suporturi de alunecare unidirecționale: Glisați de-a lungul direcției circumferențiale sau radiale; conceput special pentru a elibera forța termică cauzată de diferențele sezoniere de temperatură, prevenind fisurarea datorată dilatației și contracției termice.

- Suporturi articulate la tracțiune: Utilizate în zone de coastă sau deschise, expuse; rezistă la forțele negative de aspirație a vântului și previne ridicarea sau smulgerea carcasei reticulate de vânt.

- Suporturi elastice: Folosit pentru site-uri cu asezarea neuniformă a fundației sau pentru cochilii reticulate neregulate dublu curbate; adaptați la deformarea fundației pentru a regla distribuția sarcinii.

Accesorii de suport: plăci de bază cu grosimea de 18–30 mm, nervuri laterale de rigidizare de 12–20 mm, șuruburi de ancorare Q355B încorporate și lame de nivelare/anti-alunecare. 

2.3 Măsuri de sprijin pentru rezistența substructurii și la tracțiune

Capacele standard de grămadă izolate nu pot contracara împingerea spre exterior generată de carcasa reticulata; prin urmare, este necesară o întărire țintită. Fundațiile folosesc capac de piloți izolate din beton armat C30–C35, fundații de bandă sau capace de piloți. Grinzile de sol anti-ridicare și pilonii de contragreutate din beton sunt instalate pe exteriorul fundațiilor pentru a limita deplasarea spre exterior. Toleranța de planeitate pentru plăcile de lagăre din oțel încorporate este setată la ≤2 mm pentru a asigura alunecarea lină a lagărelor.

2.4 Măsuri de sprijin pentru incinta acoperișului și stabilitatea laterală

Sistemul de acoperiș cuprinde trei tipuri: panouri din aluminiu-magneziu-mangan cu cusături în picioare pentru carcase curbe, sticlă izolatoare călită pentru domurile de lumină naturală și foi de oțel profilate acoperite cu culoare pentru halele de cărbune închise. Elementele structurale secundare constau în întregime din pane galvanizate la cald cu secțiuni C și Z, completate de tiranți de acoperiș și bare de streașină. Stabilitatea laterală este asigurată de o grindă inelară exterioară din beton armat care conține forța totală a arcului, împreună cu contravântuiri suplimentare din oțel la capetele frontoanelor și între stâlpi pentru a preveni deplasarea laterală la capete. 

2.5 Sisteme integrate de protecție împotriva coroziunii, rezistente la foc și împotriva trăsnetului

- Anti-coroziune: Grosimea stratului de acoperire galvanizat la cald ≥85μm pentru site-urile interioare standard și ≥120μm pentru site-urile de coastă expuse la pulverizare de sare; Reparația la fața locului a galvanizării deteriorate implică sablare abrazivă Sa2.5 urmată de un sistem de acoperire cu trei straturi epoxidice bogat în zinc.

- Rezistenta la foc: Locurile publice sunt acoperite cu straturi intumescente rezistente la foc in strat subtire (evaluate pentru rezistenta la foc de 0,5h–2,0h); magaziile industriale de cărbune închise nu necesită acoperiri standard rezistente la foc.

- Protecție împotriva trăsnetului: Elementele de vârf servesc ca o plasă naturală de captare a fulgerului, conectate la barele principale de armare ale fundației prin șuruburi de ancorare pentru a forma un circuit complet de împământare; nu sunt necesare benzi suplimentare de protecție împotriva trăsnetului.

Soluții gata de implementare

1. Carcasă reticulata cu bile cu șuruburi cu două straturi: 

Elemente tubulare de oțel + bile cu șuruburi + suporturi articulate glisante unidirecționale + fundații rezistente la împingere cu bandă + placare din oțel acoperită cu culoare; ideal pentru hale de cărbune uscat închise și silozuri de agregate; cel mai mic cost și cea mai scurtă perioadă de construcție.

2. Înveliș reticulat sferic cu bile sudate cu două straturi: 

Tuburi sudate cu pereți groși + sfere goale sudate rigidizate + suporturi fixe rezistente la tracțiune + fundații cu capac de piloți + acoperiș din aluminiu-magneziu-mangan; potrivit pentru domuri cu deschidere mare în stadioane și terminale de aeroport; oferă cea mai mare redundanță împotriva încărcăturilor de vânt și zăpadă.

3. Carcasă reticulata din oțel cu un singur strat: 

Tuburi circulare curbate standardizate + noduri de butuc din oțel turnat + suporturi ușoare cu balamale + acoperiș de lucarnă din sticlă; potrivit pentru atrii peisagistice și săli mici de expoziție; oferă un atractiv estetic superior.

Avantajele practice cheie

1. Eficiență structurală și rentabilitate: 

Pentru o deschidere de 100 m, consumul de oțel este cu 18%–25% mai mic decât cel al ramelor spațiale plane cu două straturi; efectul de arc al carcasei distribuie în mod natural sarcinile, eliminând nevoia unei viitoare armături structurale.

2. Geometrie curbată versatilă: 

Capabil să formeze forme sferice sau complexe de acoperiș dublu curbat; depășește limita economică de 36 m a cadrelor rigide de portal și îndeplinește cerințele de aprobare pentru formele arhitecturale unice.

3. Drenaj natural și risc redus de scurgere: 

Geometria curbată oferă o pantă inerentă pentru drenaj, eliminând nevoia de straturi de umplere suplimentare pentru a crea o pantă și reducând riscurile de întreținere asociate cu scurgerile din acoperiș și cu apă.

4. Stabilitate ridicată în condiții extreme: 

Fiind o structură extrem de nedeterminată din punct de vedere static, depășește toate structurile plane din oțel în ceea ce privește rezistența vântului la scara 12 Beaufort, viscolului și activității seismice regionale.

5. Construcția modulară reduce riscurile la altitudine mare: 

Suportă ansamblu integrat la sol urmat de ridicare hidraulică; reduce munca la mare altitudine cu 70%, reducând astfel rata accidentelor de siguranță la fața locului.

6. Costuri reduse de operare și întreținere a ciclului de viață: 

Secțiunile goale circulare uniforme facilitează îndepărtarea și inspecția ruginii; acoperișul curbat permite apei de ploaie și prafului să alunece în mod natural, reducând frecvența de curățare la jumătate.

Analiză comparativă cu produse concurente

5.1 Diferențele structurale de comportament

Cadrele rigide portal experimentează doar îndoire plană, unidirecțională; costurile cresc atunci când deschiderile depășesc 36 m și nu pot forma forme curbate. Cadrele spațiale plate se bazează exclusiv pe tensiune și compresie spațială, fără împingere orizontală a arcului; adaptarea acestora la suprafețe curbe necesită numeroase componente non-standard, crescând costurile cu peste 40%. Structurile cu zăbrele din oțel cu deschidere lungă utilizează acțiunea arcului spațial bidirecțional, făcându-le potrivite în mod natural pentru suprafețe curbate și oferind avantaje semnificative de cost pentru deschiderile ultra-mari.

5.2 Diferențele de construcție și de incintă

Cadrele spațiale necesită, în general, asamblare bucată cu bucată la înălțime, limitând flexibilitatea site-ului; Învelișurile cu zăbrele din oțel permit alegerea a patru metode de construcție, inclusiv tehnici de alunecare rotațională potrivite pentru spații restrânse. In ceea ce priveste incinta, curbura carcasei de otel se aliniaza perfect cu panourile din aluminiu-magneziu-mangan si cu sticla curbata, eliminand stresul de torsiune asupra panourilor de acoperis si reducand riscul fisurilor viitoare.

5.3 Diferențele de tratament anticoroziv

Elementele structurale constau în întregime din tuburi circulare fără sudură, eliminând „zonele moarte” care captează murdăria găsite cu oțel unghiular sau canal; aceasta asigură o acoperire completă în timpul aplicațiilor de galvanizare și acoperire la cald, prelungind durata de viață anticorozivă în mediile de coastă cu 8-12 ani în comparație cu cadrele spațiale plane. Flux de lucru de procesare standardizat pe categorii

6.1 Flux de lucru de procesare principal pentru cadre spațiale cu bile cu șuruburi cu două straturi

1. Prelucrare de precizie cu bile cu șuruburi: semifabricat de forjare rotundă din oțel → Finisarea cu strunguri a suprafeței sferice → găurire și filetare în mai multe stații la unghiuri/curburi specifice → Inspecția particulelor magnetice (MPI) pentru fisuri interne → Galvanizare la cald.

2. Prelucrare de precizie a elementelor: Tăiere CNC a tuburilor de oțel la lungime → Prelucrarea capetelor conice → Sudare circumferențială cu CO2 cu penetrare completă la ambele capete → Testare cu ultrasunete (UT, Grad II) pe 20% din elementele critice → Sablare (Sa 2.5) pentru îndepărtarea ruginii → Galvanizare la cald.

3. Prelucrarea accesoriilor: călirea, revenirea și inspecția șuruburilor de gradul 10.9; galvanizarea simultană a manșoanelor și șuruburilor de fixare pentru a asigura toleranțe de fixare a filetului.

4. Pre-asamblare din fabrică: Montarea unui dispozitiv de asamblare curbat la scară 1:1 → Asamblare de probă a unităților în formă de evantai → Verificarea ridicării sferice și adâncimii de introducere a șuruburilor → Reglarea elementelor nestandard.

5. Ambalare zonală: Ambalare clasificată pe baza numerotării circumferențiale și radiale → Marcarea secvenței de asamblare la fața locului.

6. Instalare la fața locului: Nivelarea suportului → Asamblarea grilei coardei inferioare → Montarea elementelor de bandă și închiderea coardei superioare → Strângerea finală a șuruburilor de înaltă rezistență → Retușuri de galvanizare și acoperire ignifugă.

6.2 Flux de lucru specializat pentru cadre spațiale cu bile sudate cu două straturi

Ștanțarea semisferelor din tablă de oțel → Teșire → Asamblare nervuri inelare interne de rigidizare → Sudare cu arc scufundat (SAW) pentru închiderea sferei → Inspecție suduri 100% UT (Grad II) → Slefuirea și galvanizarea sferelor; sudare teșită cu penetrare completă la fața locului a elementelor pe sfere, cu inspecția și acceptarea fiecărei suduri.

6.3 Flux de lucru specializat pentru cadre spațiale Hub-Nod cu un singur strat

Turnare de precizie a nodurilor din oțel turnat → Prelucrarea fantelor de conexiune multidirecțională → Frezarea capetelor tuburilor curbate → Asamblare de probă a unității din fabrică → Zincare generală; asamblare la fața locului prin inserare și blocare a șuruburilor - nu necesită lucrări la cald sau sudare la fața locului.

6.4 Flux de lucru standardizat de procesare pentru suporturi

Tăiere CNC a plăcilor de bază și a plăcilor de rigidizare → Teșire, asamblare și sudură → Frezarea de precizie a suprafețelor de alunecare → Inspecția sudurii → Galvanizarea șuruburilor de ancorare și a ambalajului set complet.

Parametri de performanță cuprinși în limba engleză

7.1 Parametrii geometrici ai elementelor și îmbinărilor

Specificații comune pentru țevi de oțel: φ60×3,5, φ76×4, φ89×4, φ114×4, φ140×6, φ159×8, φ180×10, φ219×10

Distanță convențională dintre grile: 1,5 m ~ 3,5 m pentru învelișuri cu zăbrele sferice și cilindrice

Toleranță de prelucrare a elementelor: Abatere lungime totală ±1,0 mm, liniaritate ≤ L/1000

Nod sferic cu șuruburi: Diametru φ120~φ400mm, grosimea peretelui 12~20mm, toleranță la unghiul găurii șurubului ±15′

Nod sferic tubular sudat: Diametru φ200~φ500mm, grosimea peretelui 14~22mm cu inel intern de rigidizare

Placă de bază suport: 18~30mm grosime, placă de rigidizare 12~20mm, material bolț de ancorare Q355B

7.2 Tabelul proprietăților mecanice ale materialului

7.3 Parametrii de deschidere și de încărcare

Înveliș economic cu un singur strat de zăbrele: 15m ~ 60m

Înveliș cu zăbrele sferică înșurubat cu șuruburi în două straturi, deschidere economică: 30m~100m

Înveliș cu zăbrele sferice sudat cu două straturi lungime maximă: 60m~200m

Indicele de sarcină pe acoperiș: sarcină moartă 0,35~0,90kN/㎡, sarcină sub tensiune 0,5~1,2kN/㎡; Încărcătură în timpul depozitului de cărbune închis până la 2,5 kN/㎡

Controlul deformării temperaturii: carcasele cilindrice ultra-lungi trebuie să adopte suporturi de alunecare într-un singur sens pentru a elibera forța de temperatură a arcului

7.4 Standarde de inspecție a sudurii

Sudare circumferențială a țevilor sferice cu șuruburi: sudare de gradul 2, inspecție ultrasonică UT 20% pentru membrii cheie, inspecție 100% pentru proiectele cheie naționale

Sudură cap la cap sferică sudată: sudură de gradul 2 de penetrare completă, inspecție 100% UT pentru învelișuri cu zăbrele cu sarcină grea

7.5 Index tehnic anti-coroziune și ignifug

Galvanizare la cald din fabrică: ≥85μm pentru zonele interioare, ≥120μm pentru zonele de coastă cu ceață sărată

Standard de reparații la fața locului: sablare cu nisip Sa2.5, grosime totală a peliculei uscate ≥120μm pentru sistemul de vopsea cu trei straturi

Durata rezistenței la foc: 0,5h/1.0h/1.5h/2.0h pentru stratul subțire ignifug pentru clădiri publice

7.6 Controlul de precizie al instalării la fața locului

Abaterea grinzii inelare și a axei de susținere ≤±5mm, abaterea cotei suportului ≤±3mm

Abaterea înălțimii suporturilor adiacente ≤2mm, abaterea totală a ridicării carcasei ≤1/1000 din înălțimea de proiectare

7.7 Referință pentru consumul de oțel al proiectului (zona de proiecție)

Dom pentru lumină naturală cu un singur strat: 10~20kg/㎡

Carcasă cilindrică convențională cu două straturi: 20~33kg/㎡

Înveliș cu zăbrele închis de cărbune cu două straturi: 33~55kg/㎡

Metode de instalare la fața locului potrivite condițiilor proiectului

Schemele de instalare pentru structurile cu zăbrele din oțel cu deschidere lungă sunt selectate în funcție de condițiile amplasamentului pentru a face față provocărilor precum spațiul limitat și constrângerile de acces la macara:

1. Ansamblu în vrac la altitudine mare: potrivit pentru site-uri împrăștiate cu deschidere mică, nu este necesar un echipament mare de ridicare

2. Ansamblu bloc: Împărțiți carcasa în blocuri în formă de evantai, asamblați pe sol și ridicați separat

3. Ridicare hidraulică generală: Preferată pentru locurile interioare cu deschidere mare, minimizați riscurile de operare la altitudine mare

4. Instalare de alunecare cu rotație: potrivită pentru zonele de coastă înguste cu rază de rotație limitată a macaralei

FAQ

Q1 Cum aleg rapid între structurile cu zăbrele din oțel cu un singur strat și cu două straturi?

Pentru deschideri ≤ 60 m în zonele non-coastre, fără acumulare de zăpadă și cerințe ridicate de iluminare naturală, este de preferat o înveliș de zăbrele cu un singur strat (cost mai mic cu 30%). Pentru deschideri > 60 m, sau în scenarii de coastă, cu zăpadă abundentă sau cu încărcătură grea (depozitarea materialelor), este obligatorie un înveliș cu zăbrele cu două straturi pentru a preveni instabilitatea flambajului local asociată structurilor cu un singur strat.

Q2 Pot fi omise suporturile glisante pentru cochilii cu zăbrele?

Nr. Pentru carcasele de butoi care depășesc 45m lungime sau cupolele care depășesc 50m în diametru, deformarea termică generează forțe interne de tracțiune care depășesc cu mult capacitatea portantă a oțelului; omiterea suporturilor de alunecare ar cauza direct îndoirea sau ruperea elementului.

Q3 Se poate efectua tăierea sau găurirea secundară la fața locului după galvanizarea la cald?

Tăierea sau găurirea secundară este interzisă. Toate locațiile orificiilor și lungimile elementelor sunt prefabricate în fabrică, doar asamblarea cu șuruburi este efectuată la fața locului; tăierea deteriorează stratul galvanizat – care nu poate fi reparat complet – reducând în mod semnificativ durata de viață rezistentă la coroziune a structurii.

Q4 Care este diferența în ceea ce privește costurile de operare și întreținere pe termen lung între carcasele din oțel și cadrele spațiale?

Pentru aceeași întindere, suprafața curbată a unei învelișuri cu zăbrele oferă capacități superioare de auto-curățare, reducând costurile anuale de curățare a acoperișului cu 45%. În plus, elementele cu sarcină axială nu suferă de îndoire indusă de oboseală, eliminând nevoia de armătură structurală în decurs de 30 de ani; astfel, performanța O&M este cu mult superioară celei a ramelor spațiale plate.

Avantajele serviciului HAISHENG

1. Selecția și proiectarea structurală inițială: Serviciile de prevânzare includ furnizarea de desene specializate gratuite pentru dispunerea rulmenților și armarea grinzilor inelare - pe baza parametrilor locali de vânt/zăpadă, intensitatea seismică și condițiile geologice - pentru a preveni erorile de proiectare privind rezistența la forța laterală a fundației.

2. Documentație bilingvă cuprinzătoare: Furnizarea de documentație completă atât în ​​limba engleză, cât și în chineză - inclusiv rapoarte de materiale, rapoarte de testare cu ultrasunete (UT) pentru suduri, certificate de galvanizare și calcule structurale de instalare - pentru a îndeplini în mod direct cerințele supraveghetorilor de peste mări și vămuirea.

3. Ambalaj de protecție pentru transportul transfrontalier: nodurile sferice sunt ambalate individual în folie cu bule; elementele subțiri sunt împachetate pe rafturi de oțel cu apărătoare de colț de protecție; și toate articolele au ambalaje sigilate, rezistente la stropii de sare, potrivite pentru transportul maritim.

4. Îndrumare tehnică bilingvă de la distanță 24/7: suport video în timp real care acoperă nivelarea rulmenților de alunecare, strângerea în etape a șuruburilor și îmbinarea grinzii inelare.

5. Acoperire completă a garanției: O garanție structurală de 5 ani pentru elementele principale; garanții anticoroziune pentru stratul galvanizat la cald (15 ani pentru zonele interioare, 8 ani pentru zonele de coastă); și disponibilitatea pieselor de schimb pe viață pentru nodurile de conectare.