關于超大跨度空間鋼結構設計的研究

黃濤文

摘要：超大跨度空間鋼結構在當前社會的建設過程中的應用越來越常見，在新型環保材料以及新技術的支持下，傳統的施工方法必然會受到較大沖擊，因此要求施工單位以及相關技術人員要結合超大跨度空間鋼結構的實際特點進行設計工作，避免因設計上的問題影響鋼結構件數的穩定性與安全性。基于此，本文就超大跨度空間鋼結構的設計進行了分析。

關鍵詞：超大跨度空間;鋼結構;設計

引言

在世界范圍內，超大跨度空間結構技術的研究開發和工程應用，特別是新型超大跨度結構的三維空間結構體系，引起了人們的極大關注。我國在超大跨度空間鋼結構的建設中也越來越關注設計方面的問題，包括變形設計、荷載設計等等多個方面，從而保障超大跨度空間鋼結構建筑的安全與可靠。

一、均質的高強度建筑材料

在建筑工程的發展過程中，行業內對空間結構的依賴比較大，其所具備的良好的受力性能以及能夠展現出來的各種造型使得該結構形式能夠被廣泛應用于建筑施工中，早期人們主要是使用木材、石材、磚瓦等進行空間結構施工，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。隨著冶金技術的發展，網架、網殼、懸索等空間結構逐漸出現，比如德國于1924年采用生鐵材料建成了世界上第一個直徑為15m的半球形單層網殼，再就是1964年上海師范大學建成了國內首個平板網架結構，其平面尺寸為31.5m×40.5m，整個結構全部采用角鋼構件。直到今天，鋼結構的應用越來越普遍，因此超大跨度空間鋼結構的建設也得以實現。

鋼材是一種均質的高強度建筑材料，其可塑性、韌性、可焊性等都比較好，鋼構件的生產也比較簡單，在鋼結構建筑施工中，只需要早工廠進行批量預制然后運抵現場組裝即可完成施工，不僅安裝簡單，施工周期也比較短，因此可以節省大量的成本支出。同時鋼結構構件也容易進行遠距離的運輸，相比砂石、水泥等建筑材料來說損耗更小，在偏遠的地區或者惡劣的環境下都能夠進行靈活的改造。目前我國在超大跨度空間鋼結構的使用上越來越普及，其設計環節也越來越受到施工單位的重視，要求設計人員必須要嚴格按照鋼結構的實際特點進行針對性的設計，以便更好的保障超大跨度空間鋼結構的可靠性、穩定性。

二、超大跨度空間鋼結構設計的重點

（一）變形設計

鋼結構的重量較輕，對鋼結構的鋼架動力特征進行分析可以發現結構不夠穩定且剛度較小，受力一旦超過結構承受的最大范圍，鋼結構就會發生彎曲、變形、移位、扭曲等情況，因此會嚴重影響到整個結構的穩定性，因此在其設計過程中應該重點關注其變形設計。設計期間需要確保設計方案能夠滿足彈性形變的要求，設計人員需要從整體上分析鋼結構的系統構件，確保每一個構件的受力都符合標準，避免其超出桿件的承載力范圍。針對桿件的設計可以通過施加預應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，同時預應力的施加也能夠防止超大跨度空間鋼結構出現破壞性的形變。

（二）荷載設計

關于超大跨度空間鋼結構的設計工作中，其荷載設計至關重要，首先是永久荷載的設計，主要就是屋面以及屋蓋的質量，如果屋面上部有覆蓋物以及復述設施也需要計算在內，比如管道和設備等。設計人員需要通過計算軟件進行合成模擬，結合真個鋼結構建筑的實際情況找出最佳的荷載計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行針對性的設計，主要會因為超大跨度空間鋼結構的系統機構存在差異，導致其所承擔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構技術規程》（CECS102：2002）第3.2.2條明確規定“當采用壓型鋼板輕型屋面時，屋面豎向荷載的標準值（按水平投影面積計算）應取0.5KN/m2。”因此可以按照上述要求進行屋面荷載的設計，但是遇到較大幅度荷載的情況還應該結合實際情況選擇合理的計算方法;二是屋面雪荷載的設計，按照《建筑結構荷載規范》GB50009-2012第7.1.2條規定“對雪荷載敏感的結構，應采用100年重現期的雪壓”。大跨度空間鋼結構明顯屬于雪荷載敏感的結構，在設計中應該注意鋼結構的形狀、朝向等因素會對雪荷載的影響，由于雪會被屋頂熱融化，一些曲面的屋面還會使得雪從屋頂滑落，因此鋼結構屋面所承受的雪荷載是小于雪壓重量的，同時雪荷載的分部也不均勻，在這種情況下進行雪荷載的設計還需要結合整個鋼結構建筑的實際情況進行計算;三是屋面風荷載，超大跨度空間鋼結構建筑一般體積較大，使得空氣在流動中會受到一定的阻礙，這時候空氣會在流動的時候產生一定的吸引力，包括動力和靜力，其中穩定的風荷載一般估計為靜力，其余被歸結為動力部分沒在設計過程中主要就是采用靜力學方法來計算得出平均風荷載;四是偶然荷載，主要指的是鋼結構建筑在運行過程中受到的偶然的或者突發的荷載，比如地震的發生會對整個建筑產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越大，因此還需要注意抗震的設計，設計人員可以通過網架結構的設計來提高鋼結構的抗震性能，或者是做好柱間支撐的設計，科學計算鋼結構廠房柱間支撐的合理數量、間距等，從而使得整個超大跨度空間鋼結構保持良好的穩定性。

三、關于結構化設計中的常見問題及解決對策

（一）方案設計

在超大跨度空間鋼結構的設計過程中，方案設計中極易會出現一些問題，比如柱腳設計的錯誤，一般在系統結構中會采用埋入式、外包式、外露式的柱腳設計，其中外露式的柱腳設計需要用到底板，這就導致底板的彈性和塑性變形會影響到柱腳的輕度，如果在方案設計中忽略這一問題極易會影響整個結構設計的可行性。因此，相關設計人員在超大跨度空間鋼結構的設計過程中應該重視起系統結構的方案設計，充分考察施工項目的環境和施工條件等，以便了解項目的實際情況以及建設的實際需求，從而可以以此為依據并結合各種軟件和工具展開設計，確保方案設計的針對性與可行性。

（二）參數化設計

以前的結構化的三維建模技術在比較大的跨度空間結構中建模的效率低下，可能比較難應對設計師經常變化的一些方案，導致參數化設計受到一定的影響。目前在超大跨度空間鋼結構的設計中比較常用的就是BIM技術，在此基礎上可以實現建筑結構的模擬設計，并且方便各方人員對該項目進行可行性的探討，而且結構可以通過設計參數進行優化設計，效果顯著。

（三）節點設計

節點連接方式的設計與鋼結構廠房的穩定性息息相關，在大跨度鋼結構實際計算的時候，應該考慮彈性支座的強度，按照真實的情況進行支座的設計，需要焊接的部位還需要注意焊接殘余應力和殘余變形的影響。

結語

綜上所述，目前大跨度空間鋼結構已經逐漸向超大型、超輕型、可變方向發展，為了更好的滿足鋼結構建筑的使用性能，相關設計人員必須要加強對超大跨度空間鋼結構的建設理論研究與技術開發，積極借鑒各種先進的技術手段做好變形設計、荷載設計等，最大程度上提高鋼結構建筑的可靠性與安全性。

參考文獻：

[1]袁斌.超大跨度空間鋼結構設計的發展趨勢及現狀[J].建材與裝飾，2019（33）：101-102.

[2]沈萬玉.大跨度空間鋼結構轉換支撐體系及監測技術研究與應用[A]..鋼結構技術創新與綠色施工[C]，2020：6.

[3]劉影，劉德貴.抗震約束下大跨度空間鋼結構設計中支吊架的合理選取[J].地震工程學報，2019（03）：631-637.

[4]王迪濤.某大跨度空間鋼結構設計中的關鍵問題分析[D].西安建筑科技大學，2016：88.

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