關(guān)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些探討

摘 要：對于建筑結(jié)構(gòu)來說，跨度越大，則其自重就越大且其水平構(gòu)件的彎矩將按跨度比的平方增長，這是極其不利的，鋼結(jié)構(gòu)強度高而質(zhì)量輕且結(jié)構(gòu)形式靈活，用于大跨度結(jié)構(gòu)具有較大的優(yōu)勢，因此在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，例如體育館、候車室、飛機庫、航站樓等大跨度結(jié)構(gòu)都用到了鋼結(jié)構(gòu)。本文主要對大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要注意的一些問題進(jìn)行簡單的探討。

關(guān)鍵詞： 大跨度房屋；鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計

在眾多的結(jié)構(gòu)形式中，鋼結(jié)構(gòu)具有強度高、重量輕、組裝簡單、施工周期短等優(yōu)點，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要根據(jù)具體的工程情況，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，在鋼材選擇上，要充分考慮結(jié)構(gòu)的受力形式和大小，而且要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，考慮鋼結(jié)構(gòu)的抗火要求。此外，鋼結(jié)構(gòu)建筑一般是采用工廠加工，現(xiàn)場拼裝的方式進(jìn)行施工，這就需要鋼結(jié)構(gòu)在運輸和起吊過程中有足夠的剛度，并保證穩(wěn)定性要求。

1大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)分類

大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)按剛性差異以及它們的組合不同，分成三類：剛性結(jié)構(gòu)、柔性結(jié)構(gòu)及雜交（剛?cè)峄旌象w系）結(jié)構(gòu)。在此主要介紹以下兩種大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)。

1.1剛性大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)

剛性大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)成如下：由大量鋼桿件組成，如：空間桁架、網(wǎng)架等，根據(jù)結(jié)構(gòu)單元的形式不同可以分為以下兩種類型，一種稱為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，另一種稱為空間結(jié)構(gòu)。

1.2 柔性大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)

柔性大跨度結(jié)構(gòu)可由其受力體系的不同分為以下三類：豎直平面結(jié)構(gòu)、水平層面結(jié)構(gòu)及空間結(jié)構(gòu)。在柔性鋼結(jié)構(gòu)中，其受力較均勻，而且結(jié)構(gòu)受力主要集中在豎直、水平和空間對稱位置上。如：懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)等。

2 大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

對于大跨度房屋結(jié)構(gòu)來講，其主要設(shè)計依據(jù)是所受的荷載類型，按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，可以將荷載分為以下幾類：永久荷載、可變荷載和偶然荷載。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還要注意結(jié)構(gòu)布置合理、防震縫的設(shè)置等問題。

2.1永久荷載

對大跨度房屋結(jié)構(gòu)，永久荷載主要由以下兩方面組成：屋蓋結(jié)構(gòu)自重和屋面覆蓋材料自重。在永久荷載計算過程中，要根據(jù)具體的情況，不要遺漏任何應(yīng)該計入自重的構(gòu)件材料。

2.2可變荷載

在大跨度屋面鋼結(jié)構(gòu)中，主要包括以下幾種可變荷載：（1）屋面活荷載。在一般情況下，屋面均布活荷載按水平投影面積進(jìn)行計算。對于不同的屋面結(jié)構(gòu)形式，屋面均布活荷載取值不同，不上人屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.5，上人屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取2.0kN/m2，但是在取值時，還是要充分考慮實際情況，對屋面活荷載取值進(jìn)行修正。（2）雪荷載。大跨度結(jié)構(gòu)對雪荷載相對比較敏感，屋面雪荷載在可變荷載中占有一定的比率，不同結(jié)構(gòu)形式的屋面有不同的雪荷載值，而且還與屋面的朝向以及常年的風(fēng)向有關(guān)。一般情況下，屋面雪荷載取值小于平面雪壓，因為屋面有一定的坡度，在雪落到屋面到時候，有部分已經(jīng)沿傾斜的屋面滑落。然而，有些特殊結(jié)構(gòu)形式的屋面會產(chǎn)生積雪，這就會使得雪荷載有所增加。因此在確定雪荷載時，要充分考慮實際情況。（3）風(fēng)荷載。在風(fēng)荷載作用下，屋面會產(chǎn)生一定的壓力或者吸力，而且風(fēng)荷載具有靜力和動力作用的雙重特點，在計算風(fēng)荷載的時候，要分別用靜力力學(xué)和動力學(xué)的知識進(jìn)行求解，準(zhǔn)確計算風(fēng)荷載值。 大跨度結(jié)構(gòu)的風(fēng)載體型系數(shù)，一般通過風(fēng)洞試驗獲得。（4）溫度作用。鋼結(jié)構(gòu)不同于混凝土結(jié)構(gòu)，其具有較大的熱脹冷縮性質(zhì)，在一些溫差較大的地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)會因為溫差產(chǎn)生變形，形成較大的內(nèi)部荷載作用，稱為溫度應(yīng)力，在計算溫度作用時，要根據(jù)不同的氣候條件進(jìn)行考慮。 （5）支座位移。在大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)中，支座位移所產(chǎn)生的桿件內(nèi)部附加應(yīng)力不可忽略，而且當(dāng)支座產(chǎn)生較大的不均勻沉降時，有可能造成結(jié)構(gòu)的局部損壞，甚至危及整個結(jié)構(gòu)的安全，在活荷載計算中，要充分考慮支座位移引起的附加內(nèi)力。

2.3 偶然荷載

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析時，要充分考慮偶然荷載作用，本文主要考慮地震作用。地震作用是建筑物因地面運動而產(chǎn)生的一種慣性作用，屬于動力作用，通過達(dá)朗伯爾原理建立微分方程。它的大小既與結(jié)構(gòu)的固有振動特性有關(guān)，又與地面運動的特性有關(guān)。大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)受地震影響大，在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要保證屋蓋結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)剛度分布均勻，有明確的傳力路線，這樣在地震作用下，就能夠使結(jié)構(gòu)受到的荷載作用通過支座向下傳遞，避免鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大扭轉(zhuǎn)或者其他變形形式，保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。而且要針對房屋薄弱部分進(jìn)行抗震分析，并進(jìn)行加強，確保其受力符合要求，與整個結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)。由于大跨度結(jié)構(gòu)的平面投影尺寸較大，尚應(yīng)考慮地震行波效應(yīng)和局部場地效應(yīng)。故對于大跨度空間結(jié)構(gòu)來說，設(shè)置一定的防震縫是一種較好的方式，根據(jù)具體的工程規(guī)模和抗震要求，進(jìn)行抗震驗算，并在合適的位置設(shè)置防震縫，以抵抗地震作用。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的重量，而且在鋼材的選取上要充分考慮自振周期，盡可能使結(jié)構(gòu)的自振周期相對較長，以使得結(jié)構(gòu)可以通過變形釋放地震輸入的能量，這樣就可以減少地震作用對結(jié)構(gòu)的影響。

2.4計算分析

在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算時，要重視上部、下部結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作，并計入多向地震作用的效應(yīng)。在進(jìn)行設(shè)計時，要充分利用現(xiàn)有的一些結(jié)構(gòu)分析軟件和先進(jìn)的分析方法，對關(guān)鍵部位進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，并針對具體情況，加強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。經(jīng)過計算實踐表明，對于大跨鋼結(jié)構(gòu)來說，可以采用以下幾種方法進(jìn)行分析：多向地震反應(yīng)譜法、時程分析法、多向隨機振動分析方法等。當(dāng)然，要針對具體的工程項目選擇合適的方法，保證結(jié)構(gòu)分析計算的可靠性。

3 結(jié)結(jié)語

本文首先對鋼結(jié)構(gòu)的一些優(yōu)勢進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點。隨著社會和經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種大跨度結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的數(shù)量越來越多，而且，近年來，建筑施工技術(shù)不斷進(jìn)步，這也為一些復(fù)雜的大跨度鋼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計是經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要。我們從業(yè)者在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計時，首先應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的使用年限，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級以及需要抗震建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別確定其基本要求。重點要依據(jù)可靠度的要求進(jìn)行設(shè)計，在規(guī)定的時間，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率設(shè)計。

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