大跨度钢结构设计特点及施工技术

大跨度钢结构设计特点及施工技术浅析

摘要：大跨度空间结构体系在我国迅猛发展，给结构设计和施工提出了新的课题，传统的施工工艺已逐渐无法满足施工的需要，新的施工工艺、设备、技术也就应运而生。

关键词：大跨度钢结构设计施工

中图分类号：tu391文献标识码： a 文章编号：

与其他材料的结构相比，钢结构具有材料强度高、结构重量轻；结构的塑性韧性较好；钢结构的制造简单施工周期短等优点。我们在进行钢结构设计时，应当从工程实际出发，合理选用钢材，选择高强度、具有较好经济指标的钢材；在结构方案选择上，应尽可能采用标准化、模数化的结构布置；在连接设计中，应选用构造简单、传力直接的节点形式，并应满足构造要求；另外，在钢结构设计中，还应保证钢结构在加工、运输、安装和使用过程中的强度、刚度和稳定性要求，并应针对钢结构的实际，满足防火、防腐的要求。宜优先选用通用的和标准化的结构和构件，减少制作、安装工作量。

一、大跨度钢结构样式

大跨度钢结构按刚性差异以及它们的组合不同，分成三类：刚性结构、柔性结构和杂交结构。杂交结构既可通过刚性结构和柔性结构的有机组合获得，也可通过变更传统结构的特性得到。在此我们主要讨论刚性大跨度和柔性大跨度结构。

（一）刚性大跨度结构

刚性大跨度钢结构主要是指由钢杆件或钢梁、钢柑架组成的结

构，且其刚度由结构的组成和构件自身的刚度形成。当结构由规则的空间单元组成时，称为空间网格结构，否则称为空间结构。空间网格结构主要有网架结构、网壳结构、组合网架结构及预应力网架结构等形式，一般由钢杆件组成。具有受力合理、结构整体性强、刚度大、抗震性能优、、造价经济、适应性强等优点。空间结构一般由钢梁或钢析架组成，在跨度较大时还辅以预拉力索以增加结构刚度、减少用钢量。空间结构除了有与空间网格结构相同的优点外，还具有结构体系简洁、更易体现建筑造型等优点。但与空间网格结构相比，构件和节点类型一般较多，制作较为不便。

（二）柔性大跨度结构

柔性大跨度结构的受力体系可分为竖直平面、水平层面及空间三大类。其中，张力弦屋架、预张力索衍架体系属于竖直平面受力体系；单层预张力索网体系和张力膜结构体系属于水平层面受力体系；空间预张力索网格体系、索弯顶和张拉集成体系属于空间受力体系。

二、大跨度钢结构的设计要点

大跨度钢结构主要按照荷载类型进行设计，其荷载主要分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载。对于永久荷载，应采用标准值作为代表值。对于可变荷载，应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。对于偶然荷载，应按照建筑结构使用的特点确定其代表值。

（一）永久荷载

对大跨度钢结构，永久荷载主要包括屋盖结构自重和屋面覆盖材料自重。屋盖结构的自重计算可采用经验公式或由计算机自动完成，在有擦体系中，还应计入擦条的自重。屋面覆盖材料自重主要是指屋面板、屋面保温层、找坡层及防水层等的自重。若有吊顶等装修构造或设备管道，按实际情况采用。

（二）可变荷载

作用在大跨度钢结构上的可变荷载有以下几种。

(1)屋面活荷载。屋面均布活荷载一般按屋面的水平投影面计算。对于大跨度钢结构，不上人屋面，屋面均布活荷载标准值采用0.5kn ／m2，但当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用，或在施工中采取特殊措施；上人屋面，屋面均布活荷载标准值采用2.0kn／m2。

(2)雪荷载。屋面雪荷载的大小主要与屋面的几何形状、朝向和风向等有关。大多数情况下，屋面雪荷载小于基本雪压。这是因为雪可从坡度较大的曲面屋顶滑落，风可将松散的雪从平屋顶刮下，有时雪还可能被屋顶外皮的散热所融化。然而，有时也会产生积雪，如双坡屋面的背风一侧、双跨或多跨曲面屋顶的交接处等。此时必须考虑采用较大的雪荷载。

(3)温度作用。大跨度钢结构在因温度变化而出现温差时，由于杆件不能自由变形，会在杆件中产生应力，即温度应力。温差的大小与结构合拢时的温度与当地年最高或最低气温相关，在设计中应考虑。关于温度应力的计算原则按空间结构的相关规程执行。

(4)支座位移。大跨度钢结构由于位移的不均匀沉降而引起结构杆件内附加应力。

（三）偶然荷载

在大跨度钢结构分析中，偶然荷载主要是指地震作用。地震作用是建筑物因地面运动而产生的一种惯性作用，属于动力作用。它的大小既与结构的固有振动特性有关，又与地面运动的特性有关。地震作用与风荷载的区别在于：①地震作用完全属于动力作用，而风荷载具有静力和动力作用的双重特点。②地震作用与建筑物的重量直接相关，重量越大，地震作用也越大；而风荷载主要与体型和开洞情况关系较大。③建筑物的自振周期越长，对承受地震作用越有利，而对承受风荷载却是很不利的。地震作用包括水平地震作用和竖向地震作用两类。一般情况下，应在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用，对于8度和9度区，还应计算大跨度房屋钢结构的竖向地震的作用。

大跨度钢结构的地震作用一般可采用振型分解反应谱法计算；对于某些规则的网架和网壳结构还可采用简化计算方法；对特别重要或体型特别复杂的空间结构，应采用时程分析法进行补充计算。三、大跨度钢结构施工关键技术

大跨度钢结构的施工技术，一般主要包含安装技术及卸载技术(若有临时支承)，这里主要谈谈安装技术。根据结构受力和构造特点(包括结构形式、刚度分布、支承形式等)，在满足质量、安全、进度及经济效益的前提下，应结合现场施工条件和设备机具等资源

落实情况等因素综合确定安装方案。常用的安装方法主要有：高空原位单元安装法、整体提升法、滑移安装法、大悬挑钢结构无支承安装法等。

（一）高空原位单元安装法：是由“高空原位散装法”演变而来。所谓“散装法”一般是指将构(杆)件直接在设计位置进行安装的一种方法。采用该法安装时，需搭设满堂支承，以提供构件高空搁置及工人的操作平台。由于单件的重量较轻，此法可有效降低起重设备的起重要求。原则上，“散装法”可用于任意大跨度钢结构的安装，但大规模的支承体系需用大量支承材料，且支承搭设时间长，高空作业多，工期跨度大，占用大量建筑物内场地。因此“散装法”多应用在跨度不大、工期要求不紧的网架、网壳等空间结构。

单元安装法则是把结构进行合理分块，然后将这些分块单元吊装至设计位置安装，与“散装法”相比，“单元安装法”虽然也是将结构在原位进行安装，但大部分的焊接和拼接工作在工厂或地面完成，有利于提高工程质量，减少高空作业量，加快施工进度，并且所需临时支承相对较少，措施成本也得到降低。

（二）滑移安装法一般又可分两种：结构滑移法、支承滑移法。以下分别介绍两种方法的施工特点。

结构滑移法：其基本思路是将结构整体(或局部)先在具备拼装条件的场地组装成型，再利用滑移系统整体移位至设计位置的一种安装方法。采用这种安装技术，拼装场地和组装用机械设备可集中于一块相对固定的场地，与原位安装法相比，可减少临时支承与操作