大跨度钢结构设计研究

浅析大跨度钢结构设计研究

摘要：随着科技的进步和社会的发展，大跨度钢结构由于具有重量轻、材料强度高、结构韧性和塑性好，施工周期短、制造简便等优点而广泛应用于体育馆、机场等大型标志性建筑中。本文阐述了大跨度钢结构的的特点及应用现状，结合某大型会展中心的大跨度钢结构设计实例，分析了大跨度钢结构的设计方法及要点，并提出了一些设计建议。

关键字：大跨度钢结构；特点；设计研究

一、引言

在20世纪末，科技和社会经济得到了快速发展，为了满足人们对建筑空间的需求，各国家逐渐开始了各种大型复杂空间结构物的建造。钢结构具有重量轻、材料强度高、结构韧性和塑性好等优点，并且施工周期短、制造简便，因此被广泛应用于工业建筑和公共建筑中。但是，要促使大跨度钢结构的快速发展，就必须要加快空间结构相关标准的制定，强化钢结构企业的管理与资质认证，提高大跨度钢结构安装、制作和设计水平。

二、大跨度钢结构的应用

1.大跨度钢结构在住宅建筑中的应用

在建筑设计中，钢结构则具有质量轻，强度高，制造简单，环境污染小，噪声低的优点。它更容易实现住宅的标准化制作、工业化生产，再配置环保节能的墙体材料，就能真正实现住宅的抗震性、健康性和环保性，从而符合我国的可持续发展要求，以及住宅产业

化要求。在各个国家的建筑中，都普遍采用了钢结构，全球超高层建筑中的一半都为纯钢结构，并且国外的高档住宅中有60%都使用了钢结构。在我国，目前的钢结构住宅尚处于启动时期，还不具备十分成熟的产品及配套技术，所以钢结构中的很多问题还有待研究解决。

2.大跨度钢结构在公共建筑中的应用

我国第一座有影响的大跨度圆柱面网壳钢结构是1956年建造的天津体育馆，52m×68m，矢高8.7m。第一座大跨度网架钢结构是1964年上海师范学院球类房的钢板节点网架，14.8m×23.3m[3]。经过几十年的发展，大跨度钢结构已经成功地应用于各种大型体育场馆、文化建筑、候车（机）厅等重要建筑中。特别是近年来，随着2008年北京年奥运会、2010年上海世界博览会等国家重大社会经济活动的开展，我国建设了一批高标准、高规格的体育场馆、会议展览馆等社会公共建筑，这些大跨度建筑规模大、结构新，在提供实用功能的同时往往成为一个城市或国家的标志性建筑。

三、大跨度钢结构的设计方法及要点

1. 计算模型的选取

由于钢结构的计算模型具有较高的精确度，所以在设计中不能对计算模型随意地进行简化，要尽量建立与实际情况相符合的整体的分析模型。在设计中还要充分发挥次构件的作用，秉承安全性、经济性的设计宗旨，有效节约建筑材料，降低工程造价。另外，要想获得最佳设计结果，还就要树立优化设计的意识。

2.节点构造设计

由于钢结构构件之间的构造和连接复杂多变，所以设计人员要节点构造问题引起充分的重视。节点构造形式必须要根据构件截面形式、构件连接方法、建筑要求以及受力情况来确定，在满足相关条件后，还必须要进行设计计算。

3.稳定设计

与钢筋混凝土结构所不同的是，在钢结构设计的全过程中都必须注重稳定设计。稳定设计考虑的内容主要有：整体结构、构件整体、构件局部的稳定设计。

4.刚度控制

多数钢结构的构件截面是由整体刚度条件所决定的，而非稳定条件和强度条件所决定的，在薄壁构件组成的大跨度钢结构中体现尤为突出。因此，在结构设计过程中，设计者必须要重视结构整体分析，严格控制结构的整体刚度，以求获得最佳设计效果。

5.验算疲劳强度

在设计需要长期地、频繁地承受反复荷载作用的结构（如吊车梁）时，设计者必须要对结构疲劳问题加以考虑，在连续的反复荷载作用下，会使得钢材的微观裂纹不断扩大直到最终断裂，造成钢材的疲劳断裂。为了防止疲劳断裂的发生，就需要在设计过程中验算可能发生疲劳断裂的连接处及构件的疲劳强度。

6.结构布置

结构的布置过程中，必须确保屋盖结构分布的均衡和其下部支承

结构刚度和质量的均衡分布，从而保证结构传力的明确性及其整体性。地震作用力要由屋盖通过支座向下进行传递，屋盖、支承和下部结构要均匀对称地布置，使用空间传力体系，避免形成突变或局部削弱的薄弱部位，从而保证屋盖的整体性，对屋面系统自重进行严格控制，宜使用轻型的屋面系统。

7.设置防震缝

为了增强建筑抗震效果，在大跨度钢结构中设置防震缝是非常必要而有效的。规范依据框架-抗震墙结构和下部支承结构的最小宽度，综合确定了防震缝的宽度不得<15mm。而在实际的建筑中，该规范中的规定还可能不足，因此建议设计者按照设防烈度下，两侧的独立结构在交界线上的相对位移的最大值来进行确定。规则的结构，其防震缝宽度可近似估计为，多遇地震情况下的最大的相对变形值的三倍。

四、工程案例分析

1.工程概况

本工程的总用地面积为251.300m2，总建筑面积为90.475m2，建筑主要包括了主展厅、东西展厅、会议楼和商务办公楼。其建筑平面规划如图1所示。

其中主展厅的室内部分尺寸为81m×81m，大厅周边柱网尺寸为9m×9m。半室外广场与主展厅共用一个大跨度的圆柱壳形屋盖，屋盖延伸至主展厅两侧，并以相邻建筑的柱顶为支承。屋盖的上弦半径为190m，矢高为35.5m，其南侧有两肢拱脚落于室外的地面支座

上，两端落地点的跨度长达202.8m。本地的基本风压为0.55kn/m2，场地类别为ii类，地震基本烈度为6度。

2.建模及动力特性计算

本工程使用staad—pro程序对此工程进行了建模，并计算屋盖结构动力特性，得出了前9个周期以及相对应的振型（如表1所示）。在前9个振型中，第l，4，7，8，9 振型为网壳结构的整体振型，第2，3，5，6振型为落地拱脚部位的局部振型。

由于在展厅中部设置了组合柱，合理的控制了结构的自振周期，并采用上述设计要点进行了精细化设计，最终设计的结构，在满足安全性的基础上也较为经济。大厅屋盖结构的杆件用钢量为

l74.5lt，小厅屋盖结构的杆件用钢量为1 14.46t，平均单位面积用钢量仅为26.6kg/m2，可供同类设计参考。

五、结语

大跨度钢结构由于其优越的结构性能，必将在不久的将来得到更为广泛的应用，因此其设计方法的积累和探讨就尤为重要，只要在不断的工程实践中把握好设计的方法和要点就能搞针对各种类型

的大跨度钢结构而设计出安全、经济、舒适的建筑供人们使用。

参考文献：

[1] 张宇峰.大跨度钢结构应用及其设计要点探讨[j].中华民居，2011，（6）：134-135.

[2] 王冰兄.大跨度房屋钢结构设计浅析[j].科技创新导报，2012，（9）：53-53.