探究大跨度钢结构设计方案比选及体系优化

探究大跨度钢结构设计方案比选及体系
优化
摘要：目前在桥梁、海洋工程、体育馆、会展中心等大型建筑建设中常用到
大跨度钢结构，但在实际应用过程中，需要充分掌握大跨度钢结构设计的要点，
应结合工程实际选择适宜的施工方案和技术，以更好地发挥大跨度钢结构的作用，提高建筑工程的质量与安全。

基于此，本文结合具体的工程实例，重点对大跨度
钢结构设计方案比选以及钢结构体系优化措施进行分析，希望能为类似工程设计
提供有效的参考。

关键词：大跨度钢结构；设计方案；比选；体系优化
引言
目前在一些大型、高层建筑设计中会使用到大跨度钢结构，较具有代表性的
有上海“东方明珠”电视塔、长春南岭万人体育馆等。

随着经济与科技的发展，
出现了许多新技术、新材料，极大地促进了大跨度钢结构建筑的发展。

现如今在
大型钢结构建筑建设过程中，除了要充分考虑结构选型、截面优化、施工因素、
成本造价等以外，也有了更高层次的要求，如建筑与周围环境的协调性、是否符
合经济生活文化需求、人性化要求等。

这就要求相关单位在实施大跨度钢结构工
程中，要重视施工方法与技术的合理选择，科学处理施工过程中遇到的各种难题，在保证工程质量与安全的前提下，尽可能对缩短工期和降低成本造价。

基于此，
文章以一个具体的工程项目，重点对大跨度钢结构的设计方案进行详细比对分析，在此基础上优选最佳方案，并对结构体系进行优化。

一、工程概况
某体育馆项目该市重要的基础设施，体育馆子项地上2层（局部设置夹层）、地下局部一层，房屋高度约15m，分别在9.95m和15.15m标高分别设置约25m和33m的大跨度钢屋盖，屋盖结构形式采用钢筋混凝土框架+铰接大跨度钢梁+金属
屋面板，钢屋盖沿竖向大跨方向布置2道大跨度次钢梁，水平向在框架柱轴线方向设置铰接小次梁保证大跨度钢梁的平面外稳定性，结构布置如图1，其中高跨为33m跨，低跨为25m跨（以下简称为33m跨和25m跨）。

图1 整体三维模型
二、大跨度钢结构设计方案比选
建筑行业的发展对我国经济的发展有重要的作用，因此我国也高度重视建筑行业的发展。

这也要求在大跨度钢结构工程中，应保证其设计符合我国建筑设计标准要求，正确选择设计方案，确保所选择的设计方案既能保证工程的质量与安全，又能帮助建设单位节约工程的成本投入，从而获得良好的效应。

在大跨度钢结构设计前，相关人员有必要到工程项目所在地进行实地考察、调研，充分掌握工程实际情况和结构特征。

在案例工程初期设计阶段，选定了三种结构形式设计方案，分别为网架、索桁与钢管桁架这三种结构形式。

为了让工程结构设计达到最优，需要有机结合建筑方案，并建立起相应的计算机模型，之后相关人员需要结合结构方案意向进行设计，确保设计方案的合理性、科学性。

本工程设计中一共有9个设计方案，对这9个设计方案总结分析，得知共分为网架、索桁与钢管桁架这三种结构形式。

这三种结构形式均有各种的优缺点，具体为以下：
第一，从造价方面来看，网架的造价最低，但需要使用较多的杆件，且有较多的节点，同时在应用后可能还会出现不顺畅的情况。

在这三种结构形式中，网架属于较为传统的体系。

第二，从独立性与新颖性来看，索桁的结构形式虽具有
足够的独立性和新颖性，但其结构最高点高度与规划要求高度不符，要高于规定
的高度。

并且目前我国也没有应用这一结构形式建造的案例，没有可参考的经验。

此外，对于这一结构形式的连跨结构来说，中间梁柱交叉点处理难度较大，处理
过程复杂，难以有效开展预应力施工，会给施工单位带来较大的财力压力。

第三，相比较网架结构形式与索桁结构形式，钢管桁架的造价较低，且形式美观，设计
方便简单，具有良好几何特性，同时有较强的抗压性能与抗扭曲性能，还能节省
大量的施工材料。

这种结构形式不同于传统的连接构造方式，其主要是通过焊接
的方式将各构件连接，并且这样的结构形式可便于工作人员进行防锈及清洁维护
等工作。

由于钢管桁架结构形式具有诸多的优点，因此在一些大跨度标志性建筑
中广泛应用。

在对比几种结构后，本工程最终确定的结构设计方案为以下：
（一）结构体系
结合工程概况得知，房屋高度约15m，分别在9.95m和15.15m标高
分别设置约25m和33m的大跨度钢屋盖，屋盖结构形式采用钢筋混凝土框架+铰
接大跨度钢梁+金属屋面板，钢屋盖沿竖向大跨方向布置2道大跨度次钢梁，水
平向在框架柱轴线方向设置铰接小次梁保证大跨度钢梁的平面外稳定性。

钢屋盖
平面布置图见图2所示。

图2 钢屋盖平面布置图
（二）主要构件
大跨度屋盖钢梁主要构件见下表1。

表1 大跨屋面钢梁主要构件表
（三）大跨度钢梁应力计算
根据施工图单位提供计算模型和计算书，大跨度钢梁计算应力比如下：
表2 大跨屋面钢梁主要计算结果
计算结果表明，钢梁强度应力和稳定应力均控制在较低水平，钢梁截面高度和板件厚度均存在较大的优化空间。

三、大跨度钢结构体系优化
（一）优化思路
根据施工图模型计算结果，钢梁截面应力比较小，可取消框架柱之间的两根竖向大跨度次钢梁（以下简称大跨次钢梁），仅保留与框架柱相连接的大跨主钢梁（以下简称大跨主钢梁），同时根据应力比计算结果优化主钢梁截面高度和板件厚度。

根据主次梁布置方案，调整屋盖檩条的布置方向，使檩条沿小跨方向布置，屋面荷载导荷顺檩条方向单边导荷至主体钢梁上。

调整应力比时，同时关注大跨度主钢梁的强度和稳定，使得两者应力比基本相当。

当强度应力富裕较多，稳定应力比达到上限时，可在水平向增加一道小次梁（以下简称稳定小次梁），保证钢梁平面外的稳定性。

原施工图采用钢梁找坡，但钢梁底部仍然为水平，导致跨中截面高度较大，由于截面高厚比控制条件，腹板厚度需加大。

施工图钢梁采用分段式端板拼接，梁底可平行于屋面找坡坡度，采用等截面钢梁，梁高及腹板厚度根据应力控制而非局部稳定控制，大跨度主钢梁在支座处可适当减小截面。

由于大跨度主钢梁与柱铰接，不作为水平抗侧力构件，钢梁抗震等级可按非抗震设计，板件宽厚比、高厚比控制可按《钢结构设计标》（下称《钢标》）S4截面控制。

为保证钢梁的安全性，补充竖向地震作用计算，其余计算参数按优化意见调整。

（二）优化方案
1.荷载取值
屋面恒、活荷载取值按照施工图总说明第四条第1款取值，屋面钢梁上附加恒载0.8kN/m2，活荷载0.50kN/m2，钢梁自重软件自动计算，屋面均布活荷载采用0厚板导荷，导荷方向按照梁分割区域的短边方向单边导荷。

2.模型调整
根据上述优化思路，取消竖向2根大跨次钢梁，并优化竖向大跨主钢梁截面高度和板件厚度，根据稳定计算需要在每个柱网间水平居中增加一道稳定小次梁（HN500X200），大跨主钢梁强度应力比按0.80左右控制，稳定应力比控制在0.85左右。

结构布置如下：
图3 钢屋盖平面布置图（优化后）
优化前后大跨度屋盖钢梁主要截面如下：表3 优化前后大跨屋面钢梁主要构件表
注：其中大跨度竖向次钢梁全部取消，水平向每个柱网增加了一道稳定小次梁。

3.防火验算
原施工图计算书屋盖钢梁耐火等级为一级，耐火极限为2小时，采用非膨胀
性防火涂料，防火涂料等效热传导系数取0.3W/m.oC，涂层施加厚度为40mm，火
灾下钢构件应力比较小，防火涂料过厚增加结构自重，涂装道数增加，且容易开
裂脱落。

根据市场常用防火涂料参数，非膨胀型防火涂料等效热传导系数一般为
0.08~0.10W/m.oC，建议取0.08W/m.oC。

涂层施加厚度根据防火验算应力比确定，优化模型按火灾下应力控制在0.8左右，施加涂层厚度经过反复迭代确定为25mm，即可满足防火要求。

关于金属屋面檩条的防火建议，本项目未考虑屋面檩条作为大跨度钢梁的面
外支撑，可不涂防火涂料。

（三）优化方案计算结果及其与施工图对比
1.优化前后构件应力比对比
表4 优化前后大跨屋面大跨主钢梁应力比
注：以上应力比仅限优化截面的大跨主钢梁，不包含稳定小次梁。

计算结果表明，优化后钢构件应力比大幅增加，并控制在合理范围内，钢材强度较为充分的发挥，满足规范要求，达到了预期目标。

2.优化前后变形对比
表5 优化前后大跨屋面大跨主钢梁变形对比（1.0*D+1.0L工况下）
依据《钢结构设计标准》附录B中表B.1.1，屋盖梁仅支承金属屋面板和冷弯型钢檩条时永久和可变荷载标准值下的挠度限值为1/180，同时设计时可考虑起拱，起拱值可按1/500或按钢梁在D+0.5L下的竖向变形确定，优化后变形满足规范要求。

3.优化前后用钢量对比
表5 优化前后权利钢材用量对比
注：1、仅对比型钢变化量，不包含钢筋、混凝土用量，钢材容重按
7.85t/m3计算；
2、本表钢材用量为整体计算模型的导出型钢用量，不包含节点板、连接、螺栓、损耗等，该工程量仅作为方案对比使用，不作为施工图设计用钢量限额依据。

按照程序导算型钢用量对比表明，优化后型钢用量大幅降低，降低幅度达原施工模型的74.2%，优化后的用钢量仅为原施工图模型计算用钢量的25.8%。

优化方案可行，达到预期目标。

四、结论
文章以具体的工程，对大跨度钢结构设计方案展开分析，明确了大跨度钢结构设计中的主要结构形式，在分析各结构形式优缺点的基础上，最终确定了大跨度钢结构设计方案，同时对结构体系优化进行了具体分析。

经过对比分析可知，原施工图钢梁截面富裕度较大，根据强度、稳定双控原则调整结构布置和钢梁截面，可有效降低钢材用量。

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