關(guān)于超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究

宗琳

0 前言

超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)思路以及設(shè)計(jì)形式上與傳統(tǒng)形式并無明顯的差異性，大跨度鋼結(jié)構(gòu)主要注重設(shè)計(jì)中的荷載和可能產(chǎn)生的變形問題。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于整體材料要求也較高，節(jié)點(diǎn)所使用的材料對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的承載力性能和結(jié)構(gòu)變形能力都有較為深遠(yuǎn)的影響。整體結(jié)構(gòu)需要考慮系統(tǒng)受力，將空間結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體去分析受力狀況，以滿足設(shè)計(jì)要求以及應(yīng)用效果。

從目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于這種結(jié)構(gòu)的研究上來看，主要研究系統(tǒng)的整體性能，尋找較為合理的工程學(xué)設(shè)計(jì)思路，抓住系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體性能計(jì)算核心方法，以完成既有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主要目標(biāo)，對(duì)整體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算，從模型中判斷在不同的荷載情況下不同的鋼結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，從而能夠判斷超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的整體性能，對(duì)于總體建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)判。在超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，還需要重點(diǎn)考慮鋼材料的延展性能，從鋼材料截面開始，判斷鋼材料的受力的屈服點(diǎn)以及延展性能，主要的目的是保證空間鋼結(jié)構(gòu)體系沒有超過其結(jié)構(gòu)的整體承載能力，否則會(huì)產(chǎn)生變形，影響結(jié)構(gòu)跨度整體安全。如果使用的鋼材料總體性能較好，具有較強(qiáng)的延展性能，在工程施工以及后期運(yùn)營(yíng)過程中會(huì)展示出較強(qiáng)的抗形變功能，建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)建在達(dá)到荷載的極限后也能夠有效吸收耗損的能量，增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，因此在超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程中必須重點(diǎn)控制鋼材料的延展性。

1 設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)分析

1.1 變形設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中，由于鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的變形對(duì)荷載的影響，要使得其變形性能滿足設(shè)計(jì)需要，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)體系也要滿足彈性形變的要求，滿足系統(tǒng)的彈性變形。系統(tǒng)構(gòu)件除了要從整體上進(jìn)行分析以外，還要學(xué)會(huì)拆分，每一個(gè)構(gòu)件的受力都要符合標(biāo)準(zhǔn)，不能夠超出桿件的承載力范圍。為了使得桿件受力符合特性需要，也可對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的方法，使得材料滿足彈性形變。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施加的預(yù)應(yīng)力能夠有效提升超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度，使其結(jié)構(gòu)承載力滿足性能要求，要有效降低整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)體系的彈性形變和塑性形變，同時(shí)能夠提升整體鋼結(jié)構(gòu)的抗變形能力。對(duì)于整體鋼結(jié)構(gòu)實(shí)施預(yù)應(yīng)力能夠進(jìn)一步防止超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞性的形變。

1.2 荷載設(shè)計(jì)

對(duì)于永久荷載來說，在超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，永久荷載主要包括屋面以及屋蓋的質(zhì)量。在屋面整體結(jié)構(gòu)中，上部的覆蓋物也要計(jì)算在內(nèi)，主要包括屋面板以及保溫板等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的荷載可以通過計(jì)算軟件進(jìn)行合成模擬，以找出最佳的荷載計(jì)算量以及最大的荷載承受能力。屋蓋結(jié)構(gòu)有時(shí)包括一些附屬性的設(shè)施，包括附屬的管道和設(shè)備等，都要計(jì)算在內(nèi)。

上面主要闡述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的永久荷載，另外一部分荷載來自于系統(tǒng)的活荷載，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，所承擔(dān)的活荷載也有很大的差異性，經(jīng)過研究，主要包括以下幾種活荷載：

①主要是屋面的活荷載。這種性質(zhì)的活荷載需要考慮的因素是活荷載所占用的面積，一般在計(jì)算中都會(huì)近似將其視作分布較為均勻的活荷載，以簡(jiǎn)化計(jì)算過程。一般采用0.5kN/m2，如果在施工過程中遇到較大幅度的荷載，需要采用科學(xué)的計(jì)算方法。②雪荷載。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體形狀以及結(jié)構(gòu)的朝向會(huì)影響雪荷載的大小。在一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)屋面所承受的雪荷載一般小于全部雪壓的重量，雪可以從曲面屋頂滑落，也有一部分雪被屋頂熱融化。如果曲面屋頂出現(xiàn)積雪，應(yīng)該重新計(jì)算結(jié)構(gòu)的雪荷載。③風(fēng)荷載，對(duì)于超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于體積比較大，因此會(huì)阻礙空氣的流動(dòng)，空氣在建筑物表面流動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生一定的吸引力。風(fēng)荷載一般施加于建筑物的表面中，并且表現(xiàn)兩種形式：a.動(dòng)力；b.靜力。穩(wěn)定的風(fēng)荷載一般估計(jì)為靜力，其余被歸結(jié)為動(dòng)力部分。平均風(fēng)荷載可以利用靜力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，其余可以借助于動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行模擬運(yùn)算。④偶然荷載。偶然荷載主要考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過程中在偶然條件下所面臨的荷載，比如說地震過程中產(chǎn)生的荷載。如果系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)在地震等強(qiáng)作用力條件下，會(huì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的慣性作用力。這種慣性作用力與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身的特性有著比較大聯(lián)系，計(jì)算規(guī)則也與系統(tǒng)自身的特性有關(guān)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身重量越大，受到的慣性作用力也就越大。這種系統(tǒng)產(chǎn)生的慣性作用力可以利用一些有限元軟件進(jìn)行模擬，以測(cè)試系統(tǒng)的真實(shí)抗震性能，形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，以簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算規(guī)則。

2 存在的問題及對(duì)策

2.1 存在的問題分析

大跨度的空間采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著較多的優(yōu)勢(shì)，但是凡事都有兩面性，鋼材料自身也有著較多的局限性，鋼材是使用較多的建筑材料，市場(chǎng)中鋼材價(jià)格波動(dòng)性也比較大。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，使用的鋼柱量和鋼梁量數(shù)目都較為可觀，并且在系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)中還要涂抹大量的防火涂料，這就間接增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的成本。在實(shí)際設(shè)計(jì)中并沒有對(duì)整體參數(shù)進(jìn)行研究，可能會(huì)帶來一系列安全隱患，因此在超大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該對(duì)參數(shù)進(jìn)行細(xì)致的研究，正確認(rèn)識(shí)其中的內(nèi)力變化，提高整體安全性和合理性。

2.2 應(yīng)重點(diǎn)考慮的數(shù)據(jù)問題

如果使用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱以及鋼梁，在拉桿設(shè)計(jì)中設(shè)置不合理，可能會(huì)使后期的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算出現(xiàn)較多的困難，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)跨度大小要進(jìn)行正確的分析計(jì)算，如果只用于一般的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模擬軟件，這種軟件只用于計(jì)算水平結(jié)構(gòu)的受力特性，但是如果用于分析整體結(jié)構(gòu)的受力，會(huì)受到較多的限制性因素。但是對(duì)于系統(tǒng)的桿件進(jìn)行受力分析，要從宏觀上把握整體的數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行特征分析，可以在數(shù)據(jù)分析過程中保證桿截面不變，主要的目的是保證整個(gè)鋼架在受力過程中整體的合理性，避免受到水平位移的干擾。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，還會(huì)存在附加的彎矩，影響整體的穩(wěn)定性，這種附加的彎矩在系統(tǒng)受力軟件中還不能正確的表現(xiàn)出來，因此如果利用計(jì)算機(jī)模擬軟件得出的結(jié)構(gòu)可能與系統(tǒng)實(shí)際的情況存在一些差異性，需要正確對(duì)待，加以區(qū)分，并且學(xué)會(huì)利用經(jīng)驗(yàn)來解決一些實(shí)際問題。

3 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)不斷進(jìn)步，在設(shè)計(jì)過程中不斷采用科學(xué)合理的計(jì)算方法，充分借用計(jì)算機(jī)技術(shù)，滿足鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)發(fā)展要求。工程設(shè)計(jì)人員要不斷借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，保障超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和合理性。