宗琳

0 前言

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

從目前國內(nèi)外關(guān)于這種結(jié)構(gòu)的研究上來看，主要研究系統(tǒng)的整體性能，尋找較為合理的工程學(xué)設(shè)計思路，抓住系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體性能計算核心方法，以完成既有的結(jié)構(gòu)設(shè)計為主要目標(biāo)，對整體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的響應(yīng)，從而能夠判斷超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的整體性能，對于總體建筑設(shè)計進(jìn)行評判。在超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)體系沒有超過其結(jié)構(gòu)的整體承載能力，否則會產(chǎn)生變形，影響結(jié)構(gòu)跨度整體安全。如果使用的鋼材料總體性能較好，具有較強(qiáng)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(qiáng)的抗形變功能，建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)建在達(dá)到荷載的極限后也能夠有效吸收耗損的能量，增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，因此在超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工程中必須重點控制鋼材料的延展性。

1 設(shè)計中的重難點分析

1.1 變形設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中，由于鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的變形對荷載的影響，要使得其變形性能滿足設(shè)計需要，同時鋼結(jié)構(gòu)體系也要滿足彈性形變的要求，滿足系統(tǒng)的彈性變形。系統(tǒng)構(gòu)件除了要從整體上進(jìn)行分析以外，還要學(xué)會拆分，每一個構(gòu)件的受力都要符合標(biāo)準(zhǔn)，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(tǒng)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的方法，使得材料滿足彈性形變。對鋼結(jié)構(gòu)施加的預(yù)應(yīng)力能夠有效提升超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度，使其結(jié)構(gòu)承載力滿足性能要求，要有效降低整個鋼結(jié)構(gòu)體系的彈性形變和塑性形變，同時能夠提升整體鋼結(jié)構(gòu)的抗變形能力。對于整體鋼結(jié)構(gòu)實施預(yù)應(yīng)力能夠進(jìn)一步防止超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞性的形變。

1.2 荷載設(shè)計

對于永久荷載來說，在超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，永久荷載主要包括屋面以及屋蓋的質(zhì)量。在屋面整體結(jié)構(gòu)中，上部的覆蓋物也要計算在內(nèi)，主要包括屋面板以及保溫板等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的荷載可以通過計算軟件進(jìn)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(jié)構(gòu)有時包括一些附屬性的設(shè)施，包括附屬的管道和設(shè)備等，都要計算在內(nèi)。

上面主要闡述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的永久荷載，另外一部分荷載來自于系統(tǒng)的活荷載，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，所承擔(dān)的活荷載也有很大的差異性，經(jīng)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(zhì)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(xué)的計算方法。②雪荷載。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體形狀以及結(jié)構(gòu)的朝向會影響雪荷載的大小。在一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)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(xiàn)積雪，應(yīng)該重新計算結(jié)構(gòu)的雪荷載。③風(fēng)荷載，對于超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)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(chǎn)生一定的吸引力。風(fēng)荷載一般施加于建筑物的表面中，并且表現(xiàn)兩種形式：a.動力；b.靜力。穩(wěn)定的風(fēng)荷載一般估計為靜力，其余被歸結(jié)為動力部分。平均風(fēng)荷載可以利用靜力學(xué)方法進(jìn)行計算，其余可以借助于動力學(xué)方法進(jìn)行模擬運算。④偶然荷載。偶然荷載主要考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的荷載。如果系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)在地震等強(qiáng)作用力條件下，會對整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的慣性作用力。這種慣性作用力與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身的特性有著比較大聯(lián)系，計算規(guī)則也與系統(tǒng)自身的特性有關(guān)。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身重量越大，受到的慣性作用力也就越大。這種系統(tǒng)產(chǎn)生的慣性作用力可以利用一些有限元軟件進(jìn)行模擬，以測試系統(tǒng)的真實抗震性能，形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，以簡化整個系統(tǒng)的計算規(guī)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(jié)構(gòu)設(shè)計有著較多的優(yōu)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(tǒng)結(jié)構(gòu)中，使用的鋼柱量和鋼梁量數(shù)目都較為可觀，并且在系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)中還要涂抹大量的防火涂料，這就間接增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的成本。在實際設(shè)計中并沒有對整體參數(shù)進(jìn)行研究，可能會帶來一系列安全隱患，因此在超大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)該對參數(shù)進(jìn)行細(xì)致的研究，正確認(rèn)識其中的內(nèi)力變化，提高整體安全性和合理性。

2.2 應(yīng)重點考慮的數(shù)據(jù)問題

如果使用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱以及鋼梁，在拉桿設(shè)計中設(shè)置不合理，可能會使后期的設(shè)計結(jié)構(gòu)受力計算出現(xiàn)較多的困難，對于鋼結(jié)構(gòu)跨度大小要進(jìn)行正確的分析計算，如果只用于一般的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模擬軟件，這種軟件只用于計算水平結(jié)構(gòu)的受力特性，但是如果用于分析整體結(jié)構(gòu)的受力，會受到較多的限制性因素。但是對于系統(tǒng)的桿件進(jìn)行受力分析，要從宏觀上把握整體的數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行特征分析，可以在數(shù)據(jù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)中，還會存在附加的彎矩，影響整體的穩(wěn)定性，這種附加的彎矩在系統(tǒng)受力軟件中還不能正確的表現(xiàn)出來，因此如果利用計算機(jī)模擬軟件得出的結(jié)構(gòu)可能與系統(tǒng)實際的情況存在一些差異性，需要正確對待，加以區(qū)分，并且學(xué)會利用經(jīng)驗來解決一些實際問題。

3 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)不斷進(jìn)步，在設(shè)計過程中不斷采用科學(xué)合理的計算方法，充分借用計算機(jī)技術(shù)，滿足鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計發(fā)展要求。工程設(shè)計人員要不斷借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)計經(jīng)驗，創(chuàng)新設(shè)計思路，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計，保障超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和合理性。