探索建筑大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

徐桑

摘 要：建筑行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，相應(yīng)施工技術(shù)水平，建筑形成朝著復(fù)雜化與多樣化方向發(fā)展，傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足公共建筑需求，且大跨度空間結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為主流。相比于一般建筑結(jié)構(gòu)，大跨度空間結(jié)構(gòu)的施工難度比較大，且技術(shù)共有復(fù)雜，存在較多危險(xiǎn)因素。為了全面提升空間結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性，維護(hù)建筑施工質(zhì)量，必須注重研究大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，注重施工控制與管理。此次研究主要是探討分析建筑大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：建筑大跨度空間;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);關(guān)鍵點(diǎn)

大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建設(shè)水平，能夠?qū)ㄖw水平進(jìn)行衡量。大跨度空間結(jié)的受力體系合理，因此被廣泛應(yīng)用于大型建筑與公共建筑中。隨著科技與生產(chǎn)力水平的發(fā)展，建筑行業(yè)開(kāi)始應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，并且出現(xiàn)大量新型材料與高強(qiáng)度材料，在一定程度上促進(jìn)大跨度空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

1、常見(jiàn)大跨度空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是若干桿件根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格格式，采用節(jié)點(diǎn)連結(jié)方式形成空間結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式如下：按照結(jié)構(gòu)組成劃分為雙層與三層;按照支承劃分為周邊、兩邊、三邊及混合支承;按照網(wǎng)格組成劃分為平面桁架體系與空間桁架體系。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)如下：第一，建筑高度小，可以充分應(yīng)用建筑空間，經(jīng)濟(jì)效益高;第二，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具備整體性，剛度大，且抗震性能良好;第三，網(wǎng)格尺寸比較小，可以通過(guò)小規(guī)格桿件截面，有利于輕型屋面的應(yīng)用。第四，輕型化制造，網(wǎng)格可以制作為不同標(biāo)準(zhǔn)尺寸，在工廠生產(chǎn)節(jié)點(diǎn)與零件。采用螺栓連接組合單位，便于安裝和拆卸，具備較高靈活性。第五，網(wǎng)架桿件與節(jié)點(diǎn)單一性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需圖紙比較少。盡管網(wǎng)架結(jié)構(gòu)存在多種優(yōu)勢(shì)，然而在具體應(yīng)用期間也具有不足和缺陷：節(jié)點(diǎn)區(qū)域需要使用大量鋼材，加工費(fèi)用與制作費(fèi)用比較高。

1.2預(yù)應(yīng)力空心樓板結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)體系屬于新型大跨度結(jié)構(gòu)，結(jié)合預(yù)應(yīng)力技術(shù)與空心樓板優(yōu)勢(shì)，在跨度允許范圍內(nèi)可以減輕樓板重量，減少鋼材與混凝土用量，提升結(jié)構(gòu)整體性，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益良好，且使用功能顯著。應(yīng)力空心樓板的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)比較多，具體如下：第一，用途廣泛，多應(yīng)用于市政工程、公路橋梁與建筑工程中;第二，跨度大，使用空間比較充足。第三，可以應(yīng)用無(wú)梁結(jié)構(gòu)，加大樓層凈高，減少結(jié)構(gòu)自重。第四，中空樓板的隔音效果、隔熱效果顯著。第五，應(yīng)用無(wú)梁結(jié)構(gòu)，可以降低模板施工難度，加快建設(shè)進(jìn)度。然而此種結(jié)構(gòu)也存在缺陷與不足，比如結(jié)構(gòu)聯(lián)合多種材料和技術(shù)，會(huì)加大施工難度，且質(zhì)量要求高，技術(shù)人員必須接受專(zhuān)業(yè)化培訓(xùn)。此外，預(yù)應(yīng)力空心樓板的適用范圍有限，工程結(jié)構(gòu)適用跨度為雙向14-27m，單向12-19m。

1.3桁架結(jié)構(gòu)

桁架是由桿件焊接、鉚接和插銷(xiāo)連接形成的鋼結(jié)構(gòu)，是由直桿組成的空間結(jié)構(gòu)。在荷載作用影響下，桁架桿件會(huì)受到軸向拉力影響，提升材料強(qiáng)度，且材料使用量比較少，有助于減少結(jié)構(gòu)自重，加大剛度。按照桁架外形，可以將其劃分為三角形、拆弦形與平行弦形。按照幾何組成方式，可以將其劃分為簡(jiǎn)單式、復(fù)雜式和聯(lián)合式。按照水平推力，可以將桁架劃分為推力式與無(wú)推力式。桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)如下：第一，桁架結(jié)構(gòu)造型簡(jiǎn)單，且主次分明，跨度較大;第二，主拱桁架在工程現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展下料、切口與預(yù)拼裝處理，無(wú)需在施工現(xiàn)場(chǎng)焊接。然而在應(yīng)用桁架結(jié)構(gòu)時(shí)也存在缺陷，由于鋼桁架弦桿構(gòu)件下料切割與彎弧成型，因此在加工制造期間需要應(yīng)用大量現(xiàn)金設(shè)備，以此滿(mǎn)足工程建設(shè)要求與精度要求。此外，桁架結(jié)構(gòu)的自重比較大，整體工程造價(jià)高。

2、建筑大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

2.1預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展歷經(jīng)“簡(jiǎn)支-連續(xù)、構(gòu)件-整體、靜向-超靜定”環(huán)節(jié)，在預(yù)應(yīng)力作用下，靜定與超靜定的區(qū)別如下：預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)可以對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力，所以在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，必須科學(xué)分析和應(yīng)用次應(yīng)力。在預(yù)應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)變形問(wèn)題。當(dāng)屬于靜定結(jié)構(gòu)時(shí)，變形不會(huì)受到約束，此時(shí)結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生支撐反力，也不會(huì)出現(xiàn)次彎矩。然而若為超靜定結(jié)構(gòu)，變形會(huì)受到支撐約束，此時(shí)在預(yù)應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生附加支撐反力，該反力在結(jié)構(gòu)內(nèi)的彎矩為次彎矩，進(jìn)一步產(chǎn)生次應(yīng)力。通過(guò)應(yīng)用次應(yīng)力，可以發(fā)揮出預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的作用與功能。

2.2網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在大跨度空間結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具備較高剛度，且整體性良好，屬于超靜定結(jié)構(gòu)。如果支座產(chǎn)生不均勻沉降，剛度會(huì)嚴(yán)重影響整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，所以必須優(yōu)化設(shè)計(jì)支座，以此確保網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。建立工程模型開(kāi)展數(shù)值分析，以此降低上弦跨中桿件內(nèi)力，此時(shí)支座位置的桿件內(nèi)力產(chǎn)生明顯變化，下弦內(nèi)力不會(huì)產(chǎn)生明顯變化。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算模型，和單獨(dú)模型內(nèi)力存在顯著差異，當(dāng)支座剛度越強(qiáng)時(shí)，差異值就越大，反之則越小。下部支承網(wǎng)架混凝土結(jié)構(gòu)剛度會(huì)直接影響網(wǎng)架內(nèi)力，當(dāng)?shù)卣鸸r下所受的影響較大，則正常狀態(tài)下的荷載影響比較小。當(dāng)支承結(jié)構(gòu)剛度比較大時(shí)，則整體模型內(nèi)力和單一模型制作內(nèi)力比較接近。網(wǎng)架中的部分支座失效，不會(huì)影響網(wǎng)架內(nèi)力，只是失效制作位置桿件會(huì)產(chǎn)生較大影響，然而桿件應(yīng)力不會(huì)大于構(gòu)件的極限強(qiáng)度。內(nèi)力與重力分布良好，可以體現(xiàn)出網(wǎng)架高次超靜定結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

2.3桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在工程設(shè)計(jì)期間，桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求如下：第一，具備充足強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)不能出現(xiàn)塑性變形和斷裂問(wèn)題。第二，具備充足剛度，不能產(chǎn)生大的彈性變形;第三，具備充足穩(wěn)定性，嚴(yán)禁出現(xiàn)失穩(wěn)問(wèn)題;第四，具備良好抗震性能。對(duì)于一般桁架結(jié)構(gòu)，單一每榀桁架均具備較高的強(qiáng)度、承載力與剛度，然而每榀桁架的關(guān)聯(lián)性比較小，此時(shí)必須按照構(gòu)造對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，避免影響平面外穩(wěn)定性，影響整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以在設(shè)計(jì)期間必須控制平面外穩(wěn)定性。

2.4結(jié)構(gòu)防震縫設(shè)計(jì)

在大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須考慮到防震縫問(wèn)題，以此提升建筑抗震性能。在設(shè)置大跨度空間結(jié)構(gòu)防震縫寬度時(shí)，必須將下部支撐結(jié)構(gòu)作為框架，考慮由此形成的抗震墻，防震縫寬度約為150mm。在具體設(shè)計(jì)期間，寬度要求無(wú)法滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)防震要求，因此必須將結(jié)構(gòu)控制在防震要求范圍內(nèi)，將兩側(cè)結(jié)構(gòu)的極限相對(duì)位移作為參考，合理確定防震縫寬度。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)呈規(guī)則形態(tài)時(shí)，可以將最大相對(duì)位移值×放大系數(shù)，將乘積結(jié)果作為最小防震縫寬度。

2.5空間結(jié)構(gòu)布設(shè)

結(jié)構(gòu)布置會(huì)對(duì)大跨度空間結(jié)構(gòu)應(yīng)力造成影響，為了確保設(shè)計(jì)方案的優(yōu)質(zhì)性，必須合理設(shè)置空間結(jié)構(gòu)，確保質(zhì)量與剛度均衡分布，以此維護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在上下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，明確結(jié)構(gòu)傳力路徑，并且選擇適宜的空間傳力體系，確保建筑結(jié)構(gòu)可以呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布狀態(tài)。

3、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，由于現(xiàn)代建筑的需求度不斷提升，開(kāi)始出現(xiàn)大量以大跨度空間結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的建筑形式，可以不斷提升建筑施工水平，實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的長(zhǎng)久穩(wěn)定發(fā)展。此次研究主要是分析大跨度空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，可以為建筑設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)的理論依據(jù)與實(shí)踐檢驗(yàn)，可以為同類(lèi)工程設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]左鳳傳.大空間大跨度物流存儲(chǔ)建筑火災(zāi)撲救的難點(diǎn)和應(yīng)對(duì)措施研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016，22（23）：213.

[2]游永忠.大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)及質(zhì)量控制研究[J].工程技術(shù)研究，2019，4（06）：37-38.

[3]蒙剛.關(guān)于現(xiàn)代大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的研究[J].江西建材，2018，23（13）：93-94.

[4]曾斌，李本利，卞一杰，柴浩翔.大跨度大空間建筑火災(zāi)滅火力量需求研究[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2018，31（09）：57-60.

[5]白鵬.城市大空間建筑的空間構(gòu)建方法與生態(tài)化設(shè)計(jì)策略研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017，15（03）：97.