關于超大跨度空間鋼結構設計的研究

宗琳

0 前言

超大跨度空間鋼結構設計在設計思路以及設計形式上與傳統形式并無明顯的差異性，大跨度鋼結構主要注重設計中的荷載和可能產生的變形問題。這種結構對于整體材料要求也較高，節點所使用的材料對于整體結構的承載力性能和結構變形能力都有較為深遠的影響。整體結構需要考慮系統受力，將空間結構作為一個整體去分析受力狀況，以滿足設計要求以及應用效果。

從目前國內外關于這種結構的研究上來看，主要研究系統的整體性能，尋找較為合理的工程學設計思路，抓住系統結構的整體性能計算核心方法，以完成既有的結構設計為主要目標，對整體鋼結構進行嚴格的結構分析和計算，從模型中判斷在不同的荷載情況下不同的鋼結構的響應，從而能夠判斷超大跨度空間鋼結構的整體性能，對于總體建筑設計進行評判。在超大跨度空間鋼結構設計過程中，還需要重點考慮鋼材料的延展性能，從鋼材料截面開始，判斷鋼材料的受力的屈服點以及延展性能，主要的目的是保證空間鋼結構體系沒有超過其結構的整體承載能力，否則會產生變形，影響結構跨度整體安全。如果使用的鋼材料總體性能較好，具有較強的延展性能，在工程施工以及后期運營過程中會展示出較強的抗形變功能，建筑鋼結構構建在達到荷載的極限后也能夠有效吸收耗損的能量，增強鋼結構的整體穩定性，因此在超大跨度空間鋼結構設計工程中必須重點控制鋼材料的延展性。

1 設計中的重難點分析

1.1 變形設計

系統結構在設計過程中，由于鋼結構系統的變形對荷載的影響，要使得其變形性能滿足設計需要，同時鋼結構體系也要滿足彈性形變的要求，滿足系統的彈性變形。系統構件除了要從整體上進行分析以外，還要學會拆分，每一個構件的受力都要符合標準，不能夠超出桿件的承載力范圍。為了使得桿件受力符合特性需要，也可對系統結構施加預應力的方法，使得材料滿足彈性形變。對鋼結構施加的預應力能夠有效提升超大跨度空間鋼結構的整體剛度，使其結構承載力滿足性能要求，要有效降低整個鋼結構體系的彈性形變和塑性形變，同時能夠提升整體鋼結構的抗變形能力。對于整體鋼結構實施預應力能夠進一步防止超大跨度空間鋼結構出現破壞性的形變。

1.2 荷載設計

對于永久荷載來說，在超大跨度空間鋼結構設計過程中，永久荷載主要包括屋面以及屋蓋的質量。在屋面整體結構中，上部的覆蓋物也要計算在內，主要包括屋面板以及保溫板等。系統結構的荷載可以通過計算軟件進行合成模擬，以找出最佳的荷載計算量以及最大的荷載承受能力。屋蓋結構有時包括一些附屬性的設施，包括附屬的管道和設備等，都要計算在內。

上面主要闡述系統結構的永久荷載，另外一部分荷載來自于系統的活荷載，系統結構不同，所承擔的活荷載也有很大的差異性，經過研究，主要包括以下幾種活荷載：

①主要是屋面的活荷載。這種性質的活荷載需要考慮的因素是活荷載所占用的面積，一般在計算中都會近似將其視作分布較為均勻的活荷載，以簡化計算過程。一般采用0.5kN/m2，如果在施工過程中遇到較大幅度的荷載，需要采用科學的計算方法。②雪荷載。系統結構的整體形狀以及結構的朝向會影響雪荷載的大小。在一般情況下，鋼結構屋面所承受的雪荷載一般小于全部雪壓的重量，雪可以從曲面屋頂滑落，也有一部分雪被屋頂熱融化。如果曲面屋頂出現積雪，應該重新計算結構的雪荷載。③風荷載，對于超大跨度空間鋼結構設計，由于體積比較大，因此會阻礙空氣的流動，空氣在建筑物表面流動過程中會產生一定的吸引力。風荷載一般施加于建筑物的表面中，并且表現兩種形式：a.動力；b.靜力。穩定的風荷載一般估計為靜力，其余被歸結為動力部分。平均風荷載可以利用靜力學方法進行計算，其余可以借助于動力學方法進行模擬運算。④偶然荷載。偶然荷載主要考慮系統結構在運營過程中在偶然條件下所面臨的荷載，比如說地震過程中產生的荷載。如果系統鋼結構在地震等強作用力條件下，會對整個結構產生較大的慣性作用力。這種慣性作用力與系統結構自身的特性有著比較大聯系，計算規則也與系統自身的特性有關。經過研究發現，系統結構自身重量越大，受到的慣性作用力也就越大。這種系統產生的慣性作用力可以利用一些有限元軟件進行模擬，以測試系統的真實抗震性能，形成網架結構，以簡化整個系統的計算規則。

2 存在的問題及對策

2.1 存在的問題分析

大跨度的空間采用鋼結構設計有著較多的優勢，但是凡事都有兩面性，鋼材料自身也有著較多的局限性，鋼材是使用較多的建筑材料，市場中鋼材價格波動性也比較大。在系統結構中，使用的鋼柱量和鋼梁量數目都較為可觀，并且在系統鋼結構中還要涂抹大量的防火涂料，這就間接增加了系統結構的成本。在實際設計中并沒有對整體參數進行研究，可能會帶來一系列安全隱患，因此在超大跨度鋼結構設計中，應該對參數進行細致的研究，正確認識其中的內力變化，提高整體安全性和合理性。

2.2 應重點考慮的數據問題

如果使用傳統的鋼筋混凝土柱以及鋼梁，在拉桿設計中設置不合理，可能會使后期的設計結構受力計算出現較多的困難，對于鋼結構跨度大小要進行正確的分析計算，如果只用于一般的結構數據模擬軟件，這種軟件只用于計算水平結構的受力特性，但是如果用于分析整體結構的受力，會受到較多的限制性因素。但是對于系統的桿件進行受力分析，要從宏觀上把握整體的數據，分別進行特征分析，可以在數據分析過程中保證桿截面不變，主要的目的是保證整個鋼架在受力過程中整體的合理性，避免受到水平位移的干擾。在系統結構中，還會存在附加的彎矩，影響整體的穩定性，這種附加的彎矩在系統受力軟件中還不能正確的表現出來，因此如果利用計算機模擬軟件得出的結構可能與系統實際的情況存在一些差異性，需要正確對待，加以區分，并且學會利用經驗來解決一些實際問題。

3 結束語

隨著現代超大跨度空間鋼結構設計的技術不斷進步，在設計過程中不斷采用科學合理的計算方法，充分借用計算機技術，滿足鋼結構的設計發展要求。工程設計人員要不斷借鑒國內外先進的設計經驗，創新設計思路，優化結構的整體設計，保障超大跨度空間鋼結構設計的安全性和合理性。