鋼結構在大跨度建筑中的應用與設計

王軍

摘要：在大跨度建筑中，鋼結構具有重量輕、強度高、可塑性好等優點，越來越受到人們的關注。文章主要論述了鋼結構在大跨度建筑中的應用與設計，以及鋼結構在大跨度建筑中的施工、維護和管理等，首先介紹了大跨度建筑的定義、鋼結構在大跨度建筑中的優點和大跨度鋼結構的分類，其次重點闡述了鋼結構設計的基本原則、大跨度鋼結構的設計方法和鋼結構節點設計的要點，同時對鋼結構的安全評估和檢測、維護方法和管理制度進行了探討，并結合實例進行了案例分析。

關鍵詞：鋼結構??大跨度??建筑工程??應用與設計

中圖分類號：TU356????文獻標識碼：AApplication?and?Design?of?Steel?Structures?in?Long-Span?Buildings

WANG?Jun

（Gansu?Tianshui?Green?Prefabricated?Building?Industry?Development?Co.，?Ltd.，?Tianshui，?Gansu?Province，?741000?China）

Abstract：?In?large-span?buildings，?steel?structures?have?the?advantages?of?light?weight，?high?strength?and?good?plasticity，?and?have?attracted?more?and?more?attention.?This?article?mainly?discusses?the?application?and?design?of?steel?structures?in?large-span?buildings，?as?well?as?the?construction，?maintenance?and?management?of?steel?structures?in?large-span?buildings.?Firstly，?this?article?introduces?the?definition?of?large-span?buildings，?the?advantages?of?steel?structures?in?large-span?buildings?and?the?classification?of?large-span?steel?structures.?Then?it?focuses?on?the?basic?principles?of?steel?structure?design，?the?design?methods?of?large-span?steel?structures，?and?the?key?points?of?steel?structure?node?design，?discusses?the?safety?assessment，?detection?and?maintenance?methods，?and?management?systems?of?steel?structures，?and?conducts?a?case?analysis?with?examples.

Key?Words：?Steel?structure;?Large?span;?Building?engineering;?Application?and?design

隨著城市化進程的不斷加快，越來越多的大型建筑如橋梁、體育館、會展中心等應運而生，這些建筑不僅要求具有良好的建筑美學效果，還需要具備強大的承載能力和耐久性。鋼結構作為一種輕量化、高強度的建筑結構，因其優異的性能被廣泛應用于大跨度建筑中。

1?鋼結構在大跨度建筑中的應用

1.1?大跨度建筑的定義

跨度建筑是指跨度在50?m以上，甚至可以達到幾百米以上的建筑結構，其中鋼結構在大跨度建筑中的應用非常廣泛。與傳統的建筑形式相比，大跨度建筑具有大跨度建筑的跨度較大、大跨度建筑的設計形式多樣、大跨度建筑的結構復雜度較高、大跨度建筑具有較高的經濟效益和社會價值。鋼結構作為大跨度建筑中應用最為廣泛的建筑材料之一，在未來的建筑領域中將繼續發揮重要的作用。

1.2?鋼結構在大跨度建筑中的優點

首先，鋼結構具有較高的強度和剛度。相比傳統的混凝土或磚木結構，鋼結構可以采用更加輕薄的構件，在保證建筑穩定的同時減少了建筑重量，節省了建筑材料。其次，鋼結構具有較好的可塑性和可靠性。鋼材的塑性變形能力比混凝土等材料更高，具有較好的抗震和抗風性能，能夠有效提高大跨度建筑的安全性和可靠性。再次，鋼結構的施工效率較高。鋼結構構件可以在工廠中預制完成，然后在現場進行組裝，減少了現場施工時間和人力成本，也減少了現場的噪音和污染。最后，鋼結構的設計靈活性較高。鋼結構可以采用各種不同形式和結構的構件進行組裝，從而滿足不同的建筑設計需求，使得大跨度建筑在結構形式和美學設計方面更加多樣化。

1.3?大跨度鋼結構的分類

大跨度鋼結構是指在建筑領域中用于跨度大于50?m的建筑結構，可以分為以下幾種類型。第一，空間網架結構。空間網架結構是一種由鋼桿或鋼管等構件通過節點連接而成的空間結構，通常采用三角形或四邊形構成，具有輕量化、剛性好、可塑性強等優點，常用于大型展館、體育場館、會議中心等建筑。第二，懸索結構。懸索結構是一種由一根或多根懸索支撐整個建筑物的結構，通常由大型鋼纜、錨桿和吊桿等構成。該結構具有靈活性強、耐風性能好等優點，通常用于橋梁、航站樓、體育場館等建筑。第三，桁架結構。桁架結構是由許多直角三角形單元組成的結構，由斜桿、梁和節點等構成。該結構具有結構穩定性好、抗震性能強等優點，通常用于大型跨度的體育館、展覽館、廠房等建筑。第四，空間桁架結構。空間桁架結構是一種由大型桁架單元組成的空間結構，主要由斜桿、梁、節點等構件組成，具有穩定性好、剛度高、抗風能力強等優點，通常用于大型建筑物的屋蓋和墻面等。

1.4?大跨度鋼結構的應用案例

隨著鋼結構技術的不斷發展和應用，越來越多的大跨度建筑開始采用鋼結構作為主要的結構材料，下文主要論述典型的大跨度鋼結構應用案例，這些案例展示了大跨度鋼結構的應用范圍之廣和多樣性，證明了鋼結構在大跨度建筑中的獨特優勢和巨大潛力。

1.4.1?北京國家體育場（鳥巢）

北京國家體育場是2008年北京奧運會的主場館之一，也是一座著名的大跨度鋼結構建筑。它由全球著名的建筑師雅克·埃里克·布魯曼設計，建筑面積約為258?000?㎡，最大跨度為332.6?m。該建筑采用鋼結構桁架和網殼結構相結合的設計，它的鋼結構總重量約為42?000?t。

1.4.2?上海中心大廈

上海中心大廈是一座超高層建筑，也是目前世界上第二高的摩天大樓。該建筑由全球知名建筑師胡安·拉·哈，設計高度為632?m，總共101層，建筑面積為420?000?㎡。該建筑采用了許多大跨度鋼結構，如鋼桁架、鋼柱和鋼梁等。

1.4.3?香港國際機場航站樓

香港國際機場航站樓是一座大型鋼結構建筑，由英國建筑師福斯特設計。該建筑采用了許多大跨度鋼結構，如鋼桁架和鋼柱等，它的主航站樓屋面跨度達到了90?m，整個建筑面積達到了570?000?㎡。

1.4.4?三峽水利樞紐工程船閘大壩

三峽水利樞紐工程是世界上最大的水利工程之一，其中船閘大壩的建設采用了大量的鋼結構。船閘大壩是一個高度為185?m，總長1.1?km的建筑物，它的主要結構由8個巨型鋼梁組成，每個鋼梁的長度達到了150?m，重量超過2?000?t。

2?鋼結構在大跨度建筑中的設計

2.1?鋼結構設計的基本原則

大跨度鋼結構的設計是一項復雜的任務，需要充分考慮建筑的結構、功能、使用情況、地理位置和氣候等因素。在設計大跨度鋼結構時，必須遵循以下原則。

（1）綜合性原則：鋼結構的設計必須綜合考慮建筑結構、機電設備、地基與地質條件、抗震等多個因素。（2）安全性原則：大跨度鋼結構必須具有足夠的安全性能，能夠承受預期荷載、滿足使用要求，且在極端情況下仍能保持穩定。（3）經濟性原則：鋼結構的設計應在保證結構安全的前提下，盡量減少材料的使用，提高結構的效率和經濟性。（4）可維護性原則：鋼結構的設計必須方便維護，考慮到維護的成本和難度，以便在日常使用中保持結構的可靠性和安全性[1]。

2.2?大跨度鋼結構的設計方法

大跨度鋼結構的設計方法包括以下幾個步驟。

（1）建立結構模型：在設計大跨度鋼結構之前，需要通過計算機輔助設計軟件或手工計算等方式建立結構的數學模型，包括結構的形狀、材料、截面尺寸、節點連接方式等。（2）確定荷載和組合：在建立結構模型的基礎上，需要確定建筑的荷載和荷載組合，包括恒載、活載、風載、地震載等。（3）進行靜力分析：通過靜力分析，計算出結構受力情況、應力、變形和位移等參數，并進行優化設計。（4）進行動力分析：如果建筑所處的地區存在較大的風荷載或地震荷載，需要進行動力分析，計算結構在地震和風荷載下的反應。（5）進行節點設計：節點是大跨度鋼結構的重要組成部分，需要對節點進行詳細設計，確定節點的類型、尺寸、材料和連接方式。（6）優化設計：在完成以上步驟后，需要對整個結構進行優化設計，以提高結構的效率和經濟性，并滿足使用要求和安全要求。以上步驟在設計大跨度鋼結構時必須嚴格遵守，以確保結構的穩定性、安全性和可靠性

2.3?鋼結構節點設計的要點

（1）確定節點類型：鋼結構節點可分為剛性節點和半剛性節點兩種類型，其選擇應根據結構的受力特點和變形特性進行綜合考慮。（2）節點連接方式：節點連接方式應根據節點類型和受力情況進行選擇，常用的連接方式有焊接、螺栓連接和銷連接等。（3）節點布置方式：節點的布置應根據受力情況和節點類型進行選擇，常用的節點布置方式有集中節點、分散節點和混合節點等。（4）節點的材料選用：節點的材料選用應根據節點類型、受力情況和連接方式進行選擇，常用的材料有普通鋼材、高強度鋼材、鋼板等。（5）節點設計的計算：節點設計應進行詳細的受力計算，考慮節點內部應力分布和節點周圍構件的相互影響等因素，以保證節點的安全可靠性。（6）節點的制造和施工：節點制造和施工應符合相應的規范和標準，嚴格控制質量，避免出現制造和施工過程中的缺陷和質量問題。工程實踐應根據受力情況、節點類型和連接方式等因素進行綜合考慮，采用合理的節點設計方案，以保證結構的安全可靠性和經濟性。

2.4?大跨度鋼結構設計的實例分析

在大跨度鋼結構的設計中，設計師需要考慮多個方面的因素，包括荷載、節點設計、結構穩定性和安全性等。以上海世博會中國館為例，其建筑設計采用了大跨度鋼結構。設計師采用了鋼桁架結構，并且在桁架的中心部位增加了一個大型的空心球體，將荷載分散至結構的四周。此外，該館的外墻采用了多層玻璃幕墻，并且在頂部設置了多個太陽能板，從而實現了自然采光和太陽能的利用。在設計過程中，設計師需要考慮結構的強度和穩定性，尤其是在風力較大的地區。因此，在設計鋼結構節點時，設計師需要使用高強度的螺栓連接件，以確保結構的穩定性和安全性。此外，為了避免鋼結構的變形和裂紋，設計師需要在設計過程中進行強度和變形的計算，并且在節點設計時留有一定的余量[2]。

3?鋼結構在大跨度建筑中的施工

3.1?施工工藝的選擇

在大跨度鋼結構的施工中，選擇合適的施工工藝是至關重要的。不同的鋼結構具有不同的施工特點和工藝要求，因此需要根據具體的情況進行選擇。首先，在選擇鋼結構的起吊和安裝這一重要環節的施工工藝時，需要考慮到吊裝的高度和吊點的數量，并且需要根據具體的鋼結構形式來選擇合適的吊裝工藝。對于較大的鋼結構，通常需要采用起重機等大型設備進行吊裝，而對于較小的鋼結構，則可以采用手動或機械升降的方式進行吊裝和安裝。其次，因鋼結構的焊接需要滿足高強度和高質量的要求，且需要保證焊接的牢固性和密封性，在選擇焊接工藝時，需要根據具體的鋼結構形式和焊接部位來選擇合適的焊接方法，例如手工電弧焊、埋弧焊和氣體保護焊等。最后，考慮鋼結構容易受到大氣、水、灰塵和化學腐蝕等因素的影響，因此需要在鋼結構的涂裝和防腐處理的施工過程中需對鋼結構進行涂裝和防腐處理，以保護其表面和內部結構。在選擇涂裝和防腐工藝時，需要根據鋼結構的使用環境和要求來選擇合適的材料和工藝。

3.2?施工中的安全措施

在大跨度鋼結構的施工中，安全措施是非常重要的，因為鋼結構的重量很大，一旦出現施工意外，可能會造成嚴重的人員傷亡和財產損失。因此，施工單位應該高度重視施工安全，采取有效的措施確保施工過程中的安全性；設立安全警戒線，限制非施工人員進入施工現場。嚴格執行施工現場安全制度，包括穿戴好安全防護用品、使用安全工具等；安排專人對施工現場進行監督，及時發現并處理施工過程中的安全問題；對施工設備進行定期檢查和維護，確保設備運行正常；根據施工現場的實際情況，合理安排人員和設備的位置，確保施工過程中的安全性。此外，在施工現場應當加強交通管理，避免車輛、人員交叉混亂，導致意外發生；同時，施工現場應當有專人負責消防安全，配備滅火器等消防設備，并定期組織消防演練，提高應對突發事件的能力[3]。

3.3?施工中的質量控制

施工中的質量控制是保證鋼結構施工質量的重要手段。鋼結構施工質量的好壞直接關系到建筑的安全性和使用壽命，因此，必須嚴格控制施工過程中的質量。在施工過程中，必須按照國家和行業的相關標準進行施工，同時也要采取相應的控制措施，確保施工質量的穩定性和可靠性。

3.3.1?焊接質量控制

鋼結構中的焊接質量直接影響整個建筑結構的質量和安全性。因此，在施工中要嚴格按照相關標準進行焊接工藝的選擇和控制，確保焊接縫的質量符合標準要求。同時，在焊接過程中要定期進行焊縫探傷和滲透檢測，及時發現焊接缺陷并進行修復。

3.3.2?空間尺寸和形狀的控制

鋼結構的空間尺寸和形狀的控制是保證結構尺寸準確性的關鍵。在施工中，必須采取相應的措施，確保鋼構件的尺寸和形狀符合設計要求。同時，在鋼構件加工過程中，還要進行相應的測量和調整，確保鋼構件的準確性和精度。

3.3.3?表面處理和防腐措施的控制

鋼結構表面的處理和防腐措施直接關系到結構的使用壽命和安全性。因此，在施工中，必須對鋼構件進行表面處理和防腐措施，確保鋼構件的耐久性和可靠性。同時，在表面處理和防腐措施過程中，還要注意環境因素的影響，選擇相應的材料和工藝，確保施工質量。

3.3.4?施工記錄和檢驗的控制

在鋼結構施工過程中，必須進行嚴格的記錄和檢驗，以確保施工質量的可控性和穩定性。在施工過程中，必須對每一步施工工作進行記錄和檢驗，并及時發現和解決問題，確保施工質量符合標準要求[4]。

3.4?施工案例分析

以某大型跨度鋼結構建筑為例，進行施工案例分析，該建筑的主要鋼結構構件為桁架和橋面板，桁架的主要構件為桁腹板、桁肋和桁斜撐。在施工過程中，采用了以下措施進行質量控制。首先，對焊接工藝進行嚴格控制，按照相關標準選用焊接工藝，對焊接縫進行探傷和滲透檢測，確保焊接縫的質量符合標準要求。其次，對空間尺寸和形狀進行控制，采用精確的測量和調整方法，確保鋼構件的尺寸和形狀符合設計要求。再次，對表面處理和防腐措施進行控制，采用高質量的表面處理和防腐材料，確保鋼構件的耐久性和可靠性。最后，對施工記錄和檢驗進行嚴格控制，記錄施工過程中的每一步工作，并及時發現和解決問題，確保施工質量符合標準要求。經過上述措施的質量控制，該建筑的鋼結構施工質量得到了保證，整個建筑的結構穩定性和安全性得到了提升；同時，該建筑也成為了大跨度鋼結構施工的典范之一，為鋼結構施工提供了有益的經驗和借鑒[5]。

4?鋼結構在大跨度建筑中的維護與管理

4.1?鋼結構的維護方法

鋼結構的維護是保證鋼結構長期穩定運行的重要保障。在鋼結構維護如下幾方面。

4.1.1?清潔保養

鋼結構在使用過程中會積累一定的污垢和灰塵，如果不及時清洗和保養，不僅會影響鋼結構的美觀度，還可能導致表面的腐蝕和損傷。因此，對鋼結構的清潔保養工作應該定期進行[6]。

4.1.2?防腐處理

鋼結構的表面應進行防腐處理，以延長鋼結構的使用壽命。防腐處理的方法包括涂層防護、熱浸鍍鋅等，不同的鋼結構材料需要采用不同的防腐方法。

4.2.3?檢修維修

鋼結構在長期使用過程中，可能會出現一些問題，如腐蝕、損傷、變形等。對于這些問題，需要進行及時檢修，以保證鋼結構的使用安全和穩定性

4.2.4?加固改造

隨著使用年限的增加，鋼結構可能會出現疲勞和老化等問題，需要進行加固和改造。加固改造的方法包括增加梁柱截面、加強連接節點、加裝支撐等，以提高鋼結構的承載能力和穩定性。

4.2?鋼結構的管理制度

首先，需要建立鋼結構檔案，包括鋼結構的設計圖紙、技術規范、施工方案、檢測記錄等資料。鋼結構檔案應按照規定進行編號、分類、存檔，以便于查詢和管理。其次，需要對鋼結構進行定期檢測和維護。鋼結構的檢測應按照國家標準和行業規范進行，如《鋼結構工程質量檢驗與評定標準》（GB/T?50315）、《建筑鋼結構工程施工質量驗收規范》（JGJ?81-2002）等。檢測內容應包括鋼結構的承載力、變形、裂縫、腐蝕、銹蝕等方面，并根據檢測結果制定維護計劃，對鋼結構進行必要的修復和加固。此外，需要建立鋼結構的安全管理制度。管理制度應明確責任部門、責任人和責任制度，建立鋼結構的日常巡查和維護機制，及時發現和處理鋼結構存在的安全隱患，確保鋼結構的安全穩定運行。最后，需要建立鋼結構的應急管理制度。應急管理制度應包括應急預案、應急演練和應急處置流程等方面，以應對可能出現的緊急情況，更大程度地減少人員傷亡和財產損失。

4.3?鋼結構的安全評估和檢測

首先，進行鋼結構的安全評估。鋼結構的安全評估應根據國家相關標準和規范進行，如《鋼結構設計規范》（GB?50017-2017）、《鋼結構工程質量檢驗與評定標準》（GB/T?50315-2010）等。評估內容應包括鋼結構的承載力、變形、裂縫、腐蝕、銹蝕等方面，評估結果應根據安全性等級制定相應的維護和加固措施。其次，進行鋼結構的定期檢測。鋼結構的定期檢測應按照國家相關標準和規范進行，如《鋼結構工程質量檢驗與評定標準》（GB/T?50315-2010）、《建筑鋼結構工程施工質量驗收規范》（JGJ?81-2002）等。檢測內容應包括鋼結構的承載力、變形、裂縫、腐蝕、銹蝕等方面，并根據檢測結果制定相應的維護和加固措施。在檢測過程中，應注意對鋼結構的安全性進行評估，及時發現和處理存在的安全隱患。此外，需要建立鋼結構的日常巡查機制。巡查內容應包括鋼結構的表面腐蝕、銹蝕情況、連接節點的松動情況、裂縫和變形情況等方面，及時發現和處理存在的問題，以保證鋼結構的安全性。最后，在施工和維護過程中，應加強對鋼結構的質量控制。鋼結構的質量控制應按照國家相關標準和規范進行，確保鋼結構的質量符合設計要求，以提高鋼結構的安全性。

4.4?維護和管理案例分析

為了更好地展示鋼結構維護和管理的實踐案例，文章選取了某高速公路大跨度鋼結構橋梁作為案例進行分析。該鋼結構橋梁建成于2010年，是一座跨度達到100?m的大跨度鋼結構橋梁，自建成以來，該橋梁一直處于高強度使用狀態，其維護和管理工作顯得尤為重要。針對該橋梁的維護和管理工作，相關單位采取了一系列措施，包括定期巡查、定期檢測、維護和加固等。其中，每年至少進行兩次鋼結構巡查和一次全橋檢測，對鋼結構進行承載力、變形、裂縫、腐蝕、銹蝕等方面的檢測和評估，及時發現存在的問題，并制定相應的維護和加固措施。此外，對于鋼結構的維護和加固，相關單位也采取了多種措施。如定期對鋼結構表面進行清洗和涂漆，保持鋼結構的防腐性能；加固連接節點，確保連接處的安全性；加固梁底板和主梁，提高鋼結構的承載能力等。經過多年的維護和管理，該橋梁的鋼結構始終保持良好的狀態，未發生任何安全事故，保障了該高速公路的通行安全。該案例表明，鋼結構的維護和管理工作對于保障鋼結構在大跨度建筑中的安全應用具有重要的作用。只有加強維護和管理工作，才能確保鋼結構的長期穩定運行，保障建筑的安全性。

5?結語

文章介紹了鋼結構在大跨度建筑中的應用與設計，以及鋼結構在大跨度建筑中的施工、維護和管理等方面的相關知識。鋼結構作為一種重要的結構形式，具有重量輕、強度高、可塑性好等優點，在大跨度建筑中應用越來越廣泛。在鋼結構的設計、施工、維護和管理中，各個環節都非常重要，需要專業的技術人員進行嚴密的設計、施工、檢測、評估和維護。只有這樣，才能保障鋼結構在大跨度建筑中的長期安全穩定運行，為建筑的可持續發展做出貢獻。

參考文獻[1] 徐瑞芳，楊旭光，姜紅霞.高層大跨度鋼結構建筑抗震設計方法研究[J].建筑結構，?2021，51（4）：52-58.