1．概述

管桁结构也称为钢管桁架结构、管桁架或管结构，是由管状截面构件连接组成的钢结构形式［1］。这一形式起初用于海上平台结构，1947年在墨西哥湾建成了世界上第一个现代化的海洋平台，当时工程师对焊接钢管节点的性能几乎一无所知，然而正是第一个海洋平台的建成，人们才开始认识到钢管作为结构构件的优越性。从此，管桁结构在美国、加拿大、欧洲、日本以及世界各地得到了很大发展，并逐步由最初的单一应用于海洋工程结构发展到后来广泛应用于建筑结构。1962年国际钢管结构开发委员会成立，该组织的成立促进了世界各国对钢管结构的研究。1972年美国焊接协会（AWA）将钢管结构设计纳入它的结构焊接规范中。从20世纪70年代起，钢管结构的研究发展较快，很多研究成果已经成功用于工程实践中，并相继纳入国际技术文件或规范中，在更大范围内推广了钢管结构的应用［2］。

其实在大千世界中，自然的造化给人们诸多启示。像风中的芦苇、雨中的翠竹等（如图1-1～图1-2），均显示出管状结构在受压、受扭以及多方向受弯的卓越的力学性能［3］。这种结构形式能将人们对建筑物功能要求、感观要求以及经济效益要求完美地结合起来，得到越来越多设计师的青睐。

图1—1　风中芦苇

图1—2　雨中翠竹

（1）管桁结构的应用

海洋结构——海洋平台（图1-3）。

建筑工程——体育馆、机场航站楼、会议中心等大型公共建筑（图1-4～图1-5）。

图1—3　海上钻井平台

图1—4　日本大阪的Kansai机场屋盖

图1—5　新广州火车站钢管结构屋盖

机械工程——机械臂、起重设备、脚手架、游乐设施等（图1-6）。

航空航天——各类航天器采用的桁架结构（射天望远镜、发射塔架等）（图1-7～图1-8）。

图1—6　游乐场过山车轨道桁架

图1—7　射天望远镜（FAST）骨架

电力通信工程——电视塔、电力输送塔等（图1-9）。

交通工程——信号支架、桥梁等（图1-10～图1-11）。

农业工程——农业机械、日光温室、喷灌系统等（图1-12）。

水利工程——堤坝、船闸等（图1-13～图1-14）

（2）管桁结构在土木工程领域的优越性

优美的视觉效果：节点外观简洁明快，没有外凸的节点零件；以自身结构的优美，实现建筑师的艺术设想。

图1—8　火箭发射塔架

图1—9　嘉峪关“碧海明珠”气象塔

图1—10　重庆朝天门长江大桥

图1—11　公园景观桁架桥

图1—12　农业机械

图1—13　荷兰Eastern Scheldt的堤坝

（注：图片选自网络及CIDECT专业网站等，在此对摄影作者表示衷心感谢）

图1—14　荷兰Hook of Holland防风浪堤坝(www.daowen.com)

优良的经济性能：随着多维数控切割技术的发展，使得管结构连接节点的加工变得简单，加工精度及效率均得到了提高；CHS较高的强度与较大的截面惯性半径可提供优良的柱特性并减轻结构的自重，从而进一步减少运输与安装费用；管截面为封闭截面，耐腐蚀性能好，节省防腐涂料，便于维护；在洁净车间，CHS结构容易除尘；钢管内部空间可以提供多个用途，如填充混凝土提高承载力同时也提供了防火保护。此外，取暖和通风有时也利用柱子钢管。

卓越的力学性能：由于管截面材料绕中和轴均匀分布，这样截面抗压和抗弯扭承载能力优越，各向等强使杆件不存在薄弱方向，有利于杆件的稳定计算；杆件和节点设计的独立性减小；CHS结构在风和水的作用下，具有较低的阻力系数，从而减少了动荷载（如图1-15）。

图1—15　开口截面和封闭管截面的风流比较

（3）钢管结构的局限性及其表现

①钢管相贯节点的放样与加工复杂：由于相贯坡口是渐变的相贯曲线，采用手工切割难以达到设计要求，因此加工对机械的精度要求高，要求管桁架加工单位具有六维数控切割机床。对于技术工人，要有一定的机电一体化的知识背景，具备将CAD设计图纸输入数控加工设备的能力，并能熟练操作数控设备。

②拼装及焊接量大：钢管结构杆件，一般都是散件由工厂运到工地进行拼装。焊接量大，需要控制焊接收缩变形量，焊接质量要求较高。

③跟网架结构相比其用钢量大：为了创造优美的视觉效果，管桁结构的弦杆方向钢管外径一般是一致的，对于杆件承受不同内力时通常采用相同的管外径和不同壁厚。若壁厚变化太多，管桁杆件间的拼装量就会增大，从而不能充分发挥钢材的强度，增加了用钢量。

2．管桁结构的形式与分类

（1）基本形式

管桁结构以桁架结构为基础，其结构形式基本与桁架形式相同，根据使用用途的不同管桁外形也有所不同。建筑工程方面的桁架结构体系，大部分为屋盖围护体系，按其外形及腹杆形式的不同，桁架基本形式如图1-16所示［1］。对于复杂建筑体系，桁架结构能很好地适用建筑师的创意，营造出优美的建筑外形，结构形式各具特色。

图1—16　桁架形式

（2）管桁结构的分类

①按照杆件的不同布置及受力特性分为平面管桁结构和空间管桁结构。

平面管桁结构：平面管桁结构的上、下主管和支管都在同一平面内，管桁结构刚度在平面外比较差，通常利用侧向支撑保证结构的侧向稳定。

常见的平面管桁结构的形式有华伦（Warren）式桁架、普希（Pratt）式桁架、芬克（Fink）式桁架和拱形桁架，及其他各种演变形式的桁架，如带交叉支杆的桁架（Truss with cross braces），图1-17为各类桁架的形式［3］［4］。

图1—17　各种桁架类型

在管桁结构中，一般采用Warren桁架和Pratt桁架形式。最经济布置一般是带有K型节点的Warren桁架，与采用N型节点的Pratt桁架相比，Warren桁架只有它一半数量的支管与节点，且支管下料长度统一，这样可极大地节约材料，提高工效。当建筑功能或使用功能要求，不容许布置支撑斜杆时的情况多采用空腹桁架（Vierendeel truss）。

空间管桁结构：与平面管桁结构相比较，空间管桁结构提高了扭转刚度和侧向稳定性，这样可以减少侧向支撑构件，尤其是对于小跨度结构可以不布置侧向支撑。空间管桁结构通常为三角形截面，其截面形式有正三角形和倒三角形两种。正三角形管桁架的主要优点是上弦是一根杆件，檩条和天窗架支柱与上弦的连接相对简单，屋架及输管栈道多用此种截面形式；倒三角形桁架截面，通常上弦是受压构件，这样，上弦的两根杆件增强了结构的稳定性，上弦受压容易失稳，下弦受拉不存在稳定问题，所以倒三角形截面形式是一种比较合理的截面形式。这种截面形式，由两根上弦杆通过斜腹杆与下弦杆连接后，再在节点处设置水平连杆，而且支座支点多在上弦处，从而构成了上弦侧向刚度较大的屋架。另外，这种形式的两根上弦贴靠屋面，下弦只有一根杆件，给人以轻巧的感觉。除此之外，这种倒三角形截面形式也会减少檩条的跨度。因此，实际工程中大量采用的是倒三角形截面形式的桁架（图1-18）。

图1—18　KK节点在空间桁架中的位置

②按连接构件的截面形式不同分为C-C型管桁架、R-R型管桁架和R-C型管桁架。

C-C型管桁架：主管和支管均为圆管相贯连接的桁架结构。

C-C型桁架是目前国内运用最为广泛的一种，一方面因为圆管出现及对其研究比较早，运用比较成熟，20世纪50年代美国就开始进行管节点的研究，从60年代起管节点的研究在许多国家广泛开展，60年代末、70年代初一些规范开始纳入圆管节点的设计规定。除了具有空心管材普遍的优点外，圆钢管与其他截面管材相比具有较高的惯性半径及有效的抗扭截面。圆管相交的节点相贯线为空间的马鞍形曲线，设计、加工、放样比较复杂，但是钢管相贯自动切割机的发明使用，促进了管桁结构的发展应用。

R-R型管桁架：主管和支管均为方钢管或矩形管相贯连接的桁架结构。

方钢管和矩形钢管用作抗压、抗扭构件有突出的优点，用其直接焊接组成的方管桁架具有节点形式简单、外形美观的优点，在国外得以广泛的应用。目前，在国内的吉林滑冰练习馆、哈尔滨冰雪艺术展览馆、上海“东方明珠”电视塔等项目上进行了应用。我国2017版钢结构设计标准中首次增加了对矩形管的设计公式，这将进一步推进管桁结构的应用［2］。

R-C型管桁架：矩形截面主管与圆形截面支管直接相贯焊接的桁架结构。

由圆管与矩形管杂交形成的管节点桁架，其造型新颖，能充分利用圆形截面管作轴心受力构件，矩形截面管作压弯和拉压构件。矩形管与圆管相交的节点相贯线均为椭圆曲线，比圆管相贯的空间曲线易于设计和施工。

③按桁架的外形不同分为直线型桁架结构与曲线型桁架结构。

平板型屋架一般多采用直线型桁架结构形式。为了满足空间造型的多样性，各种曲线形状管桁结构层出不穷，从而丰富了结构的立体效果。对于曲线型管桁结构，主管一般用弯管机将钢管弯成曲管，增强了建筑的视觉效果。

3．管桁结构分析模型

管桁结构的分析模型主要与节点刚度有关，根据节点刚度大小不同及杆端弯矩情况有三种分析模型［5］-［8］。

铰接模型：假定管桁结构的杆件均为铰接连接。在进行静力分析时，管桁结构中的相贯节点一般按全铰接模型考虑，原因是杆件的细长使得节点处的次弯矩较小。（如图1-19a）

刚接模型：假定所有的杆件均为刚接，杆件均按梁单元考虑。该模型能够同时反映由于节点刚度、偏心及杆件上横向荷载对弯矩产生的影响。在海洋平台设计中，相贯节点按刚节点处理，原因是主、次管几何尺寸相差较小导致端部约束较大。（如图1-19b）

半刚接模型：假定主管为刚接梁单元，支管与主管间为铰接，支管只承受轴力。该模型的优点是，如果需要在主管设计中计入弯矩，整个桁架的弯矩分布则可以通过此模型进行分析而得出。该模型可以应用于弦杆塑性设计中（图1-19c）。

文献［8］对三种计算模型进行了试验值与理论分析值的比较，表明试件更接近刚性节点模型。

图1—19　管桁结构分析模型