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

黃濤文

摘要：超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)在當(dāng)前社會(huì)的建設(shè)過程中的應(yīng)用越來越常見，在新型環(huán)保材料以及新技術(shù)的支持下，傳統(tǒng)的施工方法必然會(huì)受到較大沖擊，因此要求施工單位以及相關(guān)技術(shù)人員要結(jié)合超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，避免因設(shè)計(jì)上的問題影響鋼結(jié)構(gòu)件數(shù)的穩(wěn)定性與安全性?；诖耍疚木统罂缍瓤臻g鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：超大跨度空間;鋼結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

引言

在世界范圍內(nèi)，超大跨度空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究開發(fā)和工程應(yīng)用，特別是新型超大跨度結(jié)構(gòu)的三維空間結(jié)構(gòu)體系，引起了人們的極大關(guān)注。我國(guó)在超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的建設(shè)中也越來越關(guān)注設(shè)計(jì)方面的問題，包括變形設(shè)計(jì)、荷載設(shè)計(jì)等等多個(gè)方面，從而保障超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全與可靠。

一、均質(zhì)的高強(qiáng)度建筑材料

在建筑工程的發(fā)展過程中，行業(yè)內(nèi)對(duì)空間結(jié)構(gòu)的依賴比較大，其所具備的良好的受力性能以及能夠展現(xiàn)出來的各種造型使得該結(jié)構(gòu)形式能夠被廣泛應(yīng)用于建筑施工中，早期人們主要是使用木材、石材、磚瓦等進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)施工，但是由于材料的限制存在跨度不大、形式單一、適用性小等特點(diǎn)。隨著冶金技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索等空間結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)，比如德國(guó)于1924年采用生鐵材料建成了世界上第一個(gè)直徑為15m的半球形單層網(wǎng)殼，再就是1964年上海師范大學(xué)建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其平面尺寸為31.5m×40.5m，整個(gè)結(jié)構(gòu)全部采用角鋼構(gòu)件。直到今天，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越普遍，因此超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的建設(shè)也得以實(shí)現(xiàn)。

鋼材是一種均質(zhì)的高強(qiáng)度建筑材料，其可塑性、韌性、可焊性等都比較好，鋼構(gòu)件的生產(chǎn)也比較簡(jiǎn)單，在鋼結(jié)構(gòu)建筑施工中，只需要早工廠進(jìn)行批量預(yù)制然后運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)組裝即可完成施工，不僅安裝簡(jiǎn)單，施工周期也比較短，因此可以節(jié)省大量的成本支出。同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件也容易進(jìn)行遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸，相比砂石、水泥等建筑材料來說損耗更小，在偏遠(yuǎn)的地區(qū)或者惡劣的環(huán)境下都能夠進(jìn)行靈活的改造。目前我國(guó)在超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的使用上越來越普及，其設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)也越來越受到施工單位的重視，要求設(shè)計(jì)人員必須要嚴(yán)格按照鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，以便更好的保障超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的可靠性、穩(wěn)定性。

二、超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)

（一）變形設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的重量較輕，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的鋼架動(dòng)力特征進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定且剛度較小，受力一旦超過結(jié)構(gòu)承受的最大范圍，鋼結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生彎曲、變形、移位、扭曲等情況，因此會(huì)嚴(yán)重影響到整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此在其設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注其變形設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)期間需要確保設(shè)計(jì)方案能夠滿足彈性形變的要求，設(shè)計(jì)人員需要從整體上分析鋼結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)構(gòu)件，確保每一個(gè)構(gòu)件的受力都符合標(biāo)準(zhǔn)，避免其超出桿件的承載力范圍。針對(duì)桿件的設(shè)計(jì)可以通過施加預(yù)應(yīng)力的方式來使其符合受力需要，確保材料使用上能夠滿足彈性形變的要求，同時(shí)預(yù)應(yīng)力的施加也能夠防止超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞性的形變。

（二）荷載設(shè)計(jì)

關(guān)于超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作中，其荷載設(shè)計(jì)至關(guān)重要，首先是永久荷載的設(shè)計(jì)，主要就是屋面以及屋蓋的質(zhì)量，如果屋面上部有覆蓋物以及復(fù)述設(shè)施也需要計(jì)算在內(nèi)，比如管道和設(shè)備等。設(shè)計(jì)人員需要通過計(jì)算軟件進(jìn)行合成模擬，結(jié)合真?zhèn)€鋼結(jié)構(gòu)建筑的實(shí)際情況找出最佳的荷載計(jì)算量以及最大的荷載承受能力。

除此以外，還有一些活荷載需要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，主要會(huì)因?yàn)槌罂缍瓤臻g鋼結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)存在差異，導(dǎo)致其所承擔(dān)的活荷載也具有較大的差異。一是屋面活荷載，按照《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102：2002）第3.2.2條明確規(guī)定“當(dāng)采用壓型鋼板輕型屋面時(shí)，屋面豎向荷載的標(biāo)準(zhǔn)值（按水平投影面積計(jì)算）應(yīng)取0.5KN/m2。”因此可以按照上述要求進(jìn)行屋面荷載的設(shè)計(jì)，但是遇到較大幅度荷載的情況還應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況選擇合理的計(jì)算方法;二是屋面雪荷載的設(shè)計(jì)，按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012第7.1.2條規(guī)定“對(duì)雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用100年重現(xiàn)期的雪壓”。大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)明顯屬于雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意鋼結(jié)構(gòu)的形狀、朝向等因素會(huì)對(duì)雪荷載的影響，由于雪會(huì)被屋頂熱融化，一些曲面的屋面還會(huì)使得雪從屋頂滑落，因此鋼結(jié)構(gòu)屋面所承受的雪荷載是小于雪壓重量的，同時(shí)雪荷載的分部也不均勻，在這種情況下進(jìn)行雪荷載的設(shè)計(jì)還需要結(jié)合整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)建筑的實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算;三是屋面風(fēng)荷載，超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)建筑一般體積較大，使得空氣在流動(dòng)中會(huì)受到一定的阻礙，這時(shí)候空氣會(huì)在流動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生一定的吸引力，包括動(dòng)力和靜力，其中穩(wěn)定的風(fēng)荷載一般估計(jì)為靜力，其余被歸結(jié)為動(dòng)力部分沒在設(shè)計(jì)過程中主要就是采用靜力學(xué)方法來計(jì)算得出平均風(fēng)荷載;四是偶然荷載，主要指的是鋼結(jié)構(gòu)建筑在運(yùn)行過程中受到的偶然的或者突發(fā)的荷載，比如地震的發(fā)生會(huì)對(duì)整個(gè)建筑產(chǎn)生較大的慣性作用力，一般建筑自身的重量越大，這種慣性作用力也會(huì)越大，因此還需要注意抗震的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員可以通過網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來提高鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能，或者是做好柱間支撐的設(shè)計(jì)，科學(xué)計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)廠房柱間支撐的合理數(shù)量、間距等，從而使得整個(gè)超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)保持良好的穩(wěn)定性。

三、關(guān)于結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中的常見問題及解決對(duì)策

（一）方案設(shè)計(jì)

在超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，方案設(shè)計(jì)中極易會(huì)出現(xiàn)一些問題，比如柱腳設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤，一般在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中會(huì)采用埋入式、外包式、外露式的柱腳設(shè)計(jì)，其中外露式的柱腳設(shè)計(jì)需要用到底板，這就導(dǎo)致底板的彈性和塑性變形會(huì)影響到柱腳的輕度，如果在方案設(shè)計(jì)中忽略這一問題極易會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該重視起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)，充分考察施工項(xiàng)目的環(huán)境和施工條件等，以便了解項(xiàng)目的實(shí)際情況以及建設(shè)的實(shí)際需求，從而可以以此為依據(jù)并結(jié)合各種軟件和工具展開設(shè)計(jì)，確保方案設(shè)計(jì)的針對(duì)性與可行性。

（二）參數(shù)化設(shè)計(jì)

以前的結(jié)構(gòu)化的三維建模技術(shù)在比較大的跨度空間結(jié)構(gòu)中建模的效率低下，可能比較難應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)師經(jīng)常變化的一些方案，導(dǎo)致參數(shù)化設(shè)計(jì)受到一定的影響。目前在超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中比較常用的就是BIM技術(shù)，在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的模擬設(shè)計(jì)，并且方便各方人員對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行可行性的探討，而且結(jié)構(gòu)可以通過設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，效果顯著。

（三）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)連接方式的設(shè)計(jì)與鋼結(jié)構(gòu)廠房的穩(wěn)定性息息相關(guān)，在大跨度鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際計(jì)算的時(shí)候，應(yīng)該考慮彈性支座的強(qiáng)度，按照真實(shí)的情況進(jìn)行支座的設(shè)計(jì)，需要焊接的部位還需要注意焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的影響。

結(jié)語

綜上所述，目前大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐漸向超大型、超輕型、可變方向發(fā)展，為了更好的滿足鋼結(jié)構(gòu)建筑的使用性能，相關(guān)設(shè)計(jì)人員必須要加強(qiáng)對(duì)超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的建設(shè)理論研究與技術(shù)開發(fā)，積極借鑒各種先進(jìn)的技術(shù)手段做好變形設(shè)計(jì)、荷載設(shè)計(jì)等，最大程度上提高鋼結(jié)構(gòu)建筑的可靠性與安全性。

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