淺析大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂涉及方案

張小麒（中冶焦耐工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116000）

淺析大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂涉及方案

張小麒
（中冶焦耐工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116000）

摘 要：大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂在現(xiàn)代建筑中比較常見，一般都應用在會展或體育場的建設中，因其跨度非常大，因此需要大量的鋼材料，并且需要設計出一個合理的屋頂形狀，避免受到外界拉力等影響，一般而言，針對這種鋼結(jié)構(gòu)屋頂，通常會對兩種方案進行研究，一是剛性結(jié)構(gòu)體系方案，二是柔性結(jié)構(gòu)體系方案，具體選擇哪種方案，需要有關人員進行進一步的論證。本文主要通過對某一個工程概況的分析，來探討該種屋頂涉及到的方案，僅供交流使用。

關鍵詞：大跨度；鋼結(jié)構(gòu)屋頂；方案；思考

雖然大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)脑O計方案主要有剛性以及柔性結(jié)構(gòu)體系兩種方案，但是具體選擇哪種方案，則需要進行分析論證，既要考慮到兩種方案的用鋼量，還應該考慮到結(jié)構(gòu)體系自身的重量，此外，還需要注意材料的消耗等，只有充分的考慮到各個問題，才能選擇出最為合理的方案，再加之，這個工程本身所耗費的周期非常長，因此需要認真選擇，一旦選擇就不能再進行更改。

一、工程概況

某市國際會展中心位于該市西南部，該國際會展中心將是集國際會議，辦公， 購物， 休閑， 娛樂為一體的綜合性建筑。功能復雜， 建筑造型新穎別致。其中主體結(jié)構(gòu)國際會展中心， 跨度很大， 近 220m， 對設計，特別是結(jié)構(gòu)設計提出了巨大的挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)體系的合理與否， 不僅是決定工程造價的關鍵因素之一， 而且直接決定著建筑意圖與功能能否實現(xiàn)。

二、大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂結(jié)構(gòu)體系的設計

依據(jù)上述工程概況，設計人員認為以力學原理為依據(jù)，將其屋頂?shù)恼w結(jié)構(gòu)進行簡單的設計，這主要體現(xiàn)在其傳力途徑上十分簡單，但是這種設計理念與傳統(tǒng)的建筑設計理念有些沖突，經(jīng)過嚴格的論證， 設計人員最終使用一個220m梭形體、一個50m的梭形體，將兩者形成一個蝴蝶形狀，這兩個梭形體都有最主要的組成部分就是巨形拱，其呈現(xiàn)出來的形狀是蚌殼，其脊背在下方面，而其口卻朝上，站在側(cè)面的角度來看，其主要呈現(xiàn)出來的是倒人字形。

為了使其能夠構(gòu)成蝴蝶，并且保證其兩個梭形體保持一定的距離，因此設計中重點就是如何保持整體側(cè)向水平剛度，此外，兩個梭形體如何能夠堅實牢固的聯(lián)結(jié)起來，也成為設計人員需要解決的現(xiàn)實問題。梭形體橫切面主要是以下懸線的方式存在，而其縱切面則是以上凸圓弧線的形式存在，采取哪種方案，更具有綜合優(yōu)勢，確保工程順利進行，下文筆者將進行研究。

三、大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂方案的幾點思考

從工程概況以及結(jié)構(gòu)體系中，可知該工程屬于大跨度屋頂，這種屋頂應該采取哪些方案來進行設計呢？

1 剛性結(jié)構(gòu)體系

這是設計人員經(jīng)過研究論證所設計出來的第一種方案，該方案中4個巨拱作為空間鋼桁架，將其與地面進行鉸接，其主要的功能是承受壓力，這種結(jié)構(gòu)形式即作為該建筑屋頂?shù)呢Q向支撐體系。此外，側(cè)面幕墻作為屋頂?shù)膽覓祗w系，幕墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件懸掛與大地進行鉸接，其主要的功能是抵抗水平風載，而且這種設計對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有著積極的作用，屋面結(jié)構(gòu)主要由工字鋼以及斜巷支撐桿構(gòu)成，前者處于橫向位置，而后者處于處于縱向位置，兩者相結(jié)合，構(gòu)成屋曲面網(wǎng)架，其空間性非常強。

巨拱曲線形狀要想達到預期的效果，需要做到兩方面，一是建筑造型應該滿足功能空間要求，二是結(jié)構(gòu)受力應該達到標準要求，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，巨拱曲線形狀分別為橢圓形以及懸鏈條線形狀能夠達到預期效果，因為這種兩種形狀不但可以使不同的斷面均勻的受到壓力，但是為了做到上述兩點要求，設計人員最終決定，將其形狀曲線確定為拋物線以及圓弧兩者之間的某一個曲線。設計人員利用有限元程序展開了研究，需要考慮結(jié)構(gòu)豎向以及橫向荷載的問題，因為該地區(qū)的不屬于地震多發(fā)區(qū)，而且其本身也屬于抗震防烈度區(qū)，因此并不需要對抗震性進行過度的考慮。

經(jīng)過研發(fā)分析，可以得出使用方案一的相應的結(jié)果，首先，因為屋頂跨度達到了220m，這屬于大跨度，在這一跨度下，解決結(jié)構(gòu)自重的問題是其重點。如果使用這種方案，其鋼用量非常多，其用量多，則屋頂?shù)恼w重量就會增加，因此導致結(jié)構(gòu)變形情況的出現(xiàn)。如果使用鋼數(shù)量適當?shù)臏p少，結(jié)構(gòu)變形自然會降低，屋頂整體的重量也會下降，施工周期也會適當?shù)目s短，但是屋頂結(jié)構(gòu)的抗風等各項性能都會所有下降。為了取得最佳的效果，設計人員最終決定使用鋼量為120kg/ ㎡的位置作為一個平衡點，將其所能出現(xiàn)的位移控制在1/ 300以下。

其次，屋頂兩側(cè)的玻璃幕墻，選擇使用懸掛法作為重要，因為這種方法不僅可以將巨型桁架充分的利用起來，同時減少了幕墻骨架的拉彎受力，繼而可以降低用鋼量；再次，幕墻骨架可以起到穩(wěn)定屋頂整個結(jié)構(gòu)體系的作用；最后，如果屋頂結(jié)構(gòu)空間受力十分清晰，這不僅減少桿件截面，進而減少用鋼量的使用，作為重要的是能夠完全滿足屋面各方面的功能要求。

2 柔性結(jié)構(gòu)體系

這種結(jié)構(gòu)體系與剛性結(jié)構(gòu)體系有很大的差異，其利用大拱作為整個支承體系，之后由承重索以及拉索兩者相結(jié)合共同形成幾何體系，而且該體系應該具備不變的性能，該方案設計人員主要是使用有限元程序進行研究分析。

針對這個方案設計人員做出了如下假定：首先，拱角使用鉸接，其次，應該按照初應變施加的方法來計算索的預應力，但是在計算時應該考慮有可能存在大變形的情況；最后，加載的順利應該明確，依據(jù)工程特點，應該首先添加結(jié)構(gòu)自重，再添加索的預應力，最后一步是添加恒載等。

經(jīng)過對索網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行布置和反復計算，發(fā)現(xiàn)由于外拱平面外的變形使結(jié)構(gòu)發(fā)生很大位移， 屋面穩(wěn)定索中的預應力消耗巨大， 幕墻索中的應力又分布極不均勻， 這些因素造成結(jié)構(gòu)材料的浪費。在內(nèi)外拱之間設置兩根剛性聯(lián)系梁后， 可緩解應力集中， 減小結(jié)構(gòu)位移。用鋼量控制在 240kg/m2左右。如果拱采用鋼筋混凝土， 結(jié)構(gòu)用鋼量可降為 180kg/m2左右。

結(jié)語

綜上所述，可知這兩種結(jié)構(gòu)體系都有其自身的優(yōu)勢與劣勢，但是從綜合角度來考慮，剛性結(jié)構(gòu)體系更適合應用在本工程中，雖然該結(jié)構(gòu)體系的施工難度比較大，但是相比較而言，柔性結(jié)構(gòu)體系的用鋼量大，采取的支座反力影響都非常大，而且其是施工難度并不簡單，因此綜合比較，剛性結(jié)構(gòu)更適合，但是在具體的應用過程中，應該盡可能的趨利避害，做好預防措施。

參考文獻

[1]熊仲明，曹欣，韋俊，王軍良.大跨度多弧形鋼拱結(jié)構(gòu)的受力性能試驗與分析研究[J].土木工程學報，2010（01） .

[2]羅永峰，楊木旺.大跨度剛性空間結(jié)構(gòu)地震反應的靜力彈塑性分析方法[J]. 建筑科學與工程學報，2008（03）.

中圖分類號：TU391

文獻標識碼：A