淺析大跨度鋼結構屋頂涉及方案

張小麒（中冶焦耐工程技術有限公司，遼寧 大連 116000）

淺析大跨度鋼結構屋頂涉及方案

張小麒
（中冶焦耐工程技術有限公司，遼寧 大連 116000）

摘 要：大跨度鋼結構屋頂在現代建筑中比較常見，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，針對這種鋼結構屋頂，通常會對兩種方案進行研究，一是剛性結構體系方案，二是柔性結構體系方案，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；鋼結構屋頂；方案；思考

雖然大跨度鋼結構屋頂的設計方案主要有剛性以及柔性結構體系兩種方案，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，還應該考慮到結構體系自身的重量，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。其中主體結構國際會展中心， 跨度很大， 近 220m， 對設計，特別是結構設計提出了巨大的挑戰。結構體系的合理與否， 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。

二、大跨度鋼結構屋頂結構體系的設計

依據上述工程概況，設計人員認為以力學原理為依據，將其屋頂的整體結構進行簡單的設計，這主要體現在其傳力途徑上十分簡單，但是這種設計理念與傳統的建筑設計理念有些沖突，經過嚴格的論證， 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，其呈現出來的形狀是蚌殼，其脊背在下方面，而其口卻朝上，站在側面的角度來看，其主要呈現出來的是倒人字形。

為了使其能夠構成蝴蝶，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向水平剛度，此外，兩個梭形體如何能夠堅實牢固的聯結起來，也成為設計人員需要解決的現實問題。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，更具有綜合優勢，確保工程順利進行，下文筆者將進行研究。

三、大跨度鋼結構屋頂方案的幾點思考

從工程概況以及結構體系中，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 剛性結構體系

這是設計人員經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，這種結構形式即作為該建筑屋頂的豎向支撐體系。此外，側面幕墻作為屋頂的懸掛體系，幕墻結構構件懸掛與大地進行鉸接，其主要的功能是抵抗水平風載，而且這種設計對穩定結構有著積極的作用，屋面結構主要由工字鋼以及斜巷支撐桿構成，前者處于橫向位置，而后者處于處于縱向位置，兩者相結合，構成屋曲面網架，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，二是結構受力應該達到標準要求，經過研究發現，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，需要考慮結構豎向以及橫向荷載的問題，因為該地區的不屬于地震多發區，而且其本身也屬于抗震防烈度區，因此并不需要對抗震性進行過度的考慮。

經過研發分析，可以得出使用方案一的相應的結果，首先，因為屋頂跨度達到了220m，這屬于大跨度，在這一跨度下，解決結構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，則屋頂的整體重量就會增加，因此導致結構變形情況的出現。如果使用鋼數量適當的減少，結構變形自然會降低，屋頂整體的重量也會下降，施工周期也會適當的縮短，但是屋頂結構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，將其所能出現的位移控制在1/ 300以下。

其次，屋頂兩側的玻璃幕墻，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定屋頂整個結構體系的作用；最后，如果屋頂結構空間受力十分清晰，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 柔性結構體系

這種結構體系與剛性結構體系有很大的差異，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，依據工程特點，應該首先添加結構自重，再添加索的預應力，最后一步是添加恒載等。

經過對索網結構進行布置和反復計算，發現由于外拱平面外的變形使結構發生很大位移， 屋面穩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， 這些因素造成結構材料的浪費。在內外拱之間設置兩根剛性聯系梁后， 可緩解應力集中， 減小結構位移。用鋼量控制在 240kg/m2左右。如果拱采用鋼筋混凝土， 結構用鋼量可降為 180kg/m2左右。

結語

綜上所述，可知這兩種結構體系都有其自身的優勢與劣勢，但是從綜合角度來考慮，剛性結構體系更適合應用在本工程中，雖然該結構體系的施工難度比較大，但是相比較而言，柔性結構體系的用鋼量大，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，剛性結構更適合，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構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.大跨度剛性空間結構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