浅析现代大跨度钢结构设计要点

　　0 引言

　　大跨钢结构主要用于公共建筑 ,如大会堂、影剧院、展览馆、音乐厅、体育馆、加盖体育场、航空港等,也用于工业建筑 ,如飞机制造厂的总装车间、飞机库、 造船厂的船体结构车间等。这些建筑采用大跨结构是由装配机器(如船舶、 飞机)的大尺寸或工艺过程要求决定的。

　　近10多年来，我国大跨钢结构建筑物建设发展较快 ,特别是2008北京奥运场馆建设 ,为我国大跨钢结构建筑物建设提供了一个展现的机会 ,涌现出大量结构新颖、技术先进的建筑。

　　1. 大跨钢结构的特点及应用

　　1.1大跨度结构的跨度没有统一的衡量标准 ,我国的《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工规程》将跨度60m 以上的结构定义为大跨度结构 ,计算和构造均有特殊规定。目前 ,我国以钢索和膜材做成的索膜结构最大跨度已做到320 m。

　　1.2大跨度结构主要是在自重荷载下工作 ,主要矛盾是减轻结构自重 ,故最适宜采用钢结构。在大跨度屋盖中应尽可能使用轻质屋面结构及轻质屋面材料 ,如彩色涂层压型钢板、压型铝合金板等。

　　1.3在大跨度空间结构中引入现代预应力技术，不仅使结构体形更为丰富而且也使其先进性、合理性、经济性得到充分展示。通过适当配置拉索，或可使结构获得新的中间弹性支点或使结构产生与外载作用反向的内力和挠度而卸载，前者即为斜拉结构体系，后者则为预应力结构体系。这一类“杂交”结构体系将改善原结构的受力状态，降低内力峰值，增强结构刚度、技术经济效果明显提高。目

　　前我国已在80余项大跨空间钢结构工程中应用了预应力技术，如广东清远市体育馆(六点支承，对角柱跨度89m，六块组合型双层扭网壳)在周边设6道预应力索后其用钢量44.3kg/m，约比原方案节省钢材32%，其它一些类型的网壳结构采用预应力技术后一般都可节约30%以上的钢材。目前许多高校对索托结构，索网结构等以高强钢索与钢材为主承重结构的预应力钢结构新体系，正在进行理论研究，积极准备工程实践，可以预期新型的预应力大跨空间钢结构不久即将涌现在各类建筑中。膜结构是当前我国正在兴起的一种空间结构，其中应用较多的是张力膜结构。这是一种以玻璃纤维织物或聚酯纤维织物为基层，以聚四氟乙烯或PVC为涂层的膜材与不同类型的支承体系间的组合，而其支承体系可为索一支柱或索一杆结构,它们常在膜材获得预应力后协同工作。

　　2. 建筑结构比较分析

　　2.1对于新型大跨结构的特点整体上是空间结构;其跨度大，可覆盖巨大的室内空间;矢高小、曲率平缓，可有效利用空间;厚度薄、自重轻，节省材料;形式多样，可适合于各种形状的平面组合。

　　2.2对混凝土结构来说，其根本不适合用于大跨结构中，其采用的单向板以及双向板随着跨度的增大，将会使楼板的厚度增加，所配置的钢筋量必然增大，显然这不适合用于大跨度结构中。而对于稍微可应用于跨度较大的井式楼盖，其特点由肋梁楼盖演变过来，两个方向梁的高度相等且一般等间距布置，无主次梁之分，四周承重墙支撑或角柱支撑，可以解决一些大跨度空间的设计要求，因此适用于柱网间距或房间平面面积较大时，多用于门厅、会议厅，但是把井式楼盖应用于大跨度空间结构中，必然会使造价较高。

　　2.3显然，对于大跨度结构来说，采用钢结构明显优于混凝土结构等，而且随着跨度的不断增大，这种优势尤为突出。尤其是对于柔性屋盖体系来说，混凝土和钢-混凝土组合屋盖暂不适用，而钢结构则具有明显优势。

　　3. 大跨钢结构设计要点

　　近年来大跨屋盖建筑的数量和规模增长迅速;对大跨屋盖建筑的抗震设计重视不够。一度出现不少造型奇特、结构很不规则、抗震性能差的建筑。为此，结合本项目大跨钢结构屋盖的设计实例，笔者总结了对于大跨空间钢结构来说，其设计要点如下：

　　3.1计算分析方面

　　3.1.1在计算分析方面，重视上部、下部结构的协同工作，应计入多向地震作用的效应。在抗震措施上，定义了关键杆件和关键节点，并规定了相应的加强措施。计算时应进行抗震计算的范围、计算模型、计算方法、计算参数、多向地震、地震效应组合、变形限值、关键杆件和节点。考虑上下部结构协同工作的最合理方法是按整体结构模型进行地震作用计算。下部结构简化必须依据可靠且符合动力学原理，即应综合考虑刚度和质量等效后的有效性。

　　3.1.2计算分析时应合理确定计算模型，屋盖与主要支承部位的连接假定应与构造相符。计算模型应计入屋盖结构与下部结构的协同作用。经过计算实践表明，对于大跨钢结构来说适宜采用的方法为多向地震反应谱法、时程分析法、甚至多向随机振动分析方法。建议用一些更精细的分析方法进行复杂大跨屋盖结构的地震作用计算，应该鼓励这些方法的应用，但实际操作还有些深层次问题值得讨论。对竖向地震作用的简化算法的适用范围进行了进一步限定。

　　3.1.3 计算分析不单要模拟结构整体成型后的受力情况，还要兼顾其施工过程的特殊受力情况，避免在结构成型前因为局部受力超过设计值而破坏。对于施工过程的计算模拟需要考虑构件吊装、不同施工阶段工况、结构预变形技术、构件的预拼装、卸载等。大跨结构的复杂性和施工方法的多样性，决定其设计的过程中就必须结合考虑施工的问题。这也是设计过程中经常忽视或者考虑不全的地方。

　　3.2结构布置

　　在结构布置上，强调屋盖结构及其下部支承结构的质量、刚度分布均衡，确保结构的整体性和传力明确。屋盖的地震作用应能有效地通过支座向下传递;避免屋盖内力集中或较大扭转效应，为此屋盖、支承及下部结构的布置宜均匀对称;保证屋盖结构的整体性，因此应优先采用空间传力体系、避免局部削弱或突变的薄弱部位;宜采用轻型屋面系统，因此应严格控制屋面系统的单位自重。结构布置宜避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的内力、变形集中。对于可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。

　　3.3 防震缝设置

　　3.3.1 对于大跨空间结构来说，设置防震缝往往是有效的。震缝宽度，规范规定不宜小于150mm。这主要是根据下部支承结构为框架结构或框架-抗震墙结构时的最小缝宽综合确定。规范所规定的最小防震缝宽度可能不足。建议最好按设防烈度下两侧独立结构在交界线上的相对位移最大值来复核。

　　3.3.2结合工程实践经验，笔者建议大跨屋盖结构防震缝的缝宽可按设防烈度下两侧独立结构在交界线上的相对位移最大值来确定。对于规则结构，缝宽也可将多遇地震下的最大相对变形值乘以不小于3的放大系数近似估计。

　　4.结语

　　大跨度空间结构是目前发展最快的结构类型，本文从比较混凝土结构、组合结构以及钢结构出发，分析比较钢结构应用于大跨度空间结构中的优势，结合笔者从事大跨度钢结构设计实践经验，提出大跨度钢结构设计要点，可为大跨度钢结构设计提供参考借鉴。

　　5.参考文献

　　[1] 于永修.大跨空间结构的分类及发展特征[J].科技信息(科学教研)，2007，

　　[2] GB50017—2003 ,钢结构设计规范[[S]

　　[3]田安国，刘钊，吕志涛.预应力纤维布张拉锚固技术及其设计理论研究[J].工业建筑，2005。

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