探析大跨度鋼結構的計算及抗震構造

摘 要：本文對大跨度結構抗震分析和控制的相關問題進行了分析，并針對大跨度結構抗震的施工進行了論述。

關鍵字：抗震鋼結構 大跨度 天橋 大會堂

近年來，人們生活水平不斷的提高，工業生產及文化、體育事業不斷進步，大大增強了社會對空間結構尤其是大跨度高性能空間結構的需求。而計算理論的日益完善以及計算機技術的飛速發展，使得對任何復雜的三維結構的分析與設計成為可能。近幾十年來，世界各地建造了成千上萬的大型體育館、飛機庫、展廳，采用的各類空間結構，展示著優美的造型，成為一道道風景；更有無數的廠房、倉庫等因為采用了空間結構，實現了經濟、合理的完美統一。

1 大跨空間鋼結構

習慣上，通常將空間結構按形式分為五大類，即薄殼結構（包括折板結構）、網架結構、網殼結構、懸索結構和膜結構，稱為五大空間結構。其中，膜結構可分為充氣膜結構和支承膜結構，前者又可分為氣囊式膜結構（囊中氣壓為3～7個大氣壓，稱高壓體系）和氣承式膜結構（膜內氣壓1.003個大氣壓左右，稱低壓體系），后者又可分為剛性支承膜結構（支承在剛度較大的如拱、梁、桁架、網架等支承結構上，又稱骨架式膜結構）和柔性支撐膜結構（支承在脊索、谷索、邊索、桅桿等柔度較大的支承結構上，又稱張拉式膜結構）。在五太空間結構的基礎上，平板型的網架結構和曲面型的網殼結構可合并總稱為網格結構，而懸索結構與膜結構也可合并總稱為張拉結構。

2 大跨空間鋼結構特點

2.1自重輕，經濟性好。目前大部分空間結構都采用鋼材、膜材等制作，輕質高強材料的運用使結構自重大大減輕。

2.2剛度好，抗震性能好。由于空間結構具有三維受力特性，內力均勻，對集中荷載的分散性較強，所以能很好的承受不對稱荷載或較大的集中荷載，整體剛度大。

2.3便于工業化生產。空間結構的構件通常在工廠中制作，在工地上可以很快地安裝起來。

2.4形式多樣化，功能統一。空間結構的形式豐富多彩，千變萬化，個性鮮明，建筑、結構和使用功能的統一。

3鋼結構穩定性設計要點

3.1鋼結構布置必須從體系和各組成部分的穩定性，要求整體考慮，目前鋼結構大多是按照平面體系進行設計，如桁架和框架。保證平面結構不出現平面外失穩，要求平面結構構件的平面穩定計算需與結構布置相一致，如增加必要的支撐構件等。

3.2實用計算方法所依據的簡圖與結構計算簡圖保持一致，單層或多層框架結構設計框架穩定分析，通常是只進行框架柱的穩定計算。由于框架各柱的桿件穩定計算的常用方法、穩定參數等是依據一定的簡化典型情況或假設者得出的，因此設計者要能保證所有的條件符合假設時才能應用。

3.3鋼結構的細部構造設計與構件的穩定計算，應一致保證鋼結構的細部構造設計與構件的穩定計算相符合，對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接，應分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節點應盡量減少桿件偏心。

4 鋼結構穩定性的分析方法

4.1靜力法靜力法即靜力平衡法。在建立平衡微分方程時遵循如下基本假定：構件是等截面直桿；壓力始終沿構件原來軸線作用；材料符合胡克定律，即應力與應變成線性關系；構件符合平截面假定，即構件變形前的平截面在變形后仍為平截面；構件的彎曲變形是微小的，曲率可以近似地用撓度函數的二階導數表示。根據以上假定條件可建立平衡微分方程，代入相應的邊界條件，可解得兩端鉸支的軸壓構件的臨界荷載。

4.2能量法能量法是求解穩定承載力的一種近似方法。保守體系處在平衡狀態時，貯存在結構體系中的應變能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其臨界狀態的能量關系為：ΔU =ΔW式中 ΔU———指應變能的增量； ΔW———指外力功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分方程。2）勢能駐值原理求解臨界荷載。勢能駐值原理指：受外力作用的結構，當位移有微小變化而總勢能不變，即總勢能有駐值時，結構處于平衡狀態。表達式為：dΠ=dU-dW =0式中 dU———指虛位移引起的結構內應變能的變化，它總是正值； dW———指外力在虛位移上作的功。

4.3動力法處于平衡狀態的結構體系，如果施加微小干擾使其發生振動，這時結構的變形和振動加速度都和已經作用在結構上的荷載有關。當荷載小于穩定的極限荷載值時，加速度和變形的方向相反，因此干擾撤去后，運動趨于靜止，結構的平衡狀態是穩定的；當荷載大于穩定的極限荷載值時，加速度和變形的方向相同，即使撤去干擾，運動仍是發散的，因此結構的平衡狀態是不穩定的。

5 大跨空間鋼結構施工方法

5.1 高空散裝法。指在結構下部搭設滿堂腳手架，腳手架鋪設工作平臺，將小拼單元或散架運至工作平臺上，然后直接在設計位置進行拼裝的方法。高空散裝法分為全支架法和懸挑法兩種。由于在高空拼裝。垂直運輸時不需要起重機或大型起重設備，但現場及高空作業量大，需要大量的支撐架材料和設備。

5.2單元塊吊裝法。指先把網架分割成若干單元塊并在地面進行組裝，然后分別由起重機吊裝至高空設計位置就為擱置，再間接各單元塊之間上、下弦桿和腹桿直至拼裝成整體的施工方法。采用單元塊吊裝法施工時，由于結構的大部分焊接、拼裝工作都在地面進行，有利于提高工程質量。

5.3移動支架安裝法。無固定的支撐腳手架，網格結構在可移動的支撐架上進行安裝，需要為支架的移動鋪設軌道或平整場地。移動支安裝法一般都與高空散裝法聯合使用。需要注意移動安裝支撐架的場地或軌道是否足夠平整；支架移動后，對已安裝的結構部件是否設置若干固定臨時支撐，以分散結構桿件內力和控制節點位移，同時也需要考慮支撐撤去時的內力改變情況。

5.4 整體提升法。指先將結構在地面整體拼裝完整，然后再結構柱上安裝提升設備提升結構。但是由于施工狀態和施工完成狀態的力學模型不同，應進行施工及竣工后結構的構建內力、節點變形、支座反力計算、合算設計的桿件截面，必要時另外作一些加固措施，并且在提升過程中跟蹤結構桿件內力變化和節點位移發展。

6 大跨空間鋼結構施工需注意事項

6.1焊接鋼板節點。主要用于弦桿呈兩向布置的各類網架，如兩向正交正放網架、兩向正交斜放網架以及各種類型的四角錐網架。網架中，上、下弦桿均成兩向正交布置，斜腹桿或位于弦桿的豎平面內或與弦桿豎平面成45。角相交。桿件端部均在節點處相交。為使這些匯交的桿件能在節點上有效地連成一體，桿件內力得到可靠的傳遞，應沿桿件方向設置相應的節點板，各節點板間則以焊縫連成整體，從而形成了焊接鋼板節點。這種節點與鋼桁架的節點構造較為相似，有時為了增加節點的強度和剛度，也可以在十字節點板中心加設一段圓鋼管，將十字節點板直接焊于中心鋼管上，從而形成一個由中心鋼管加強的焊接鋼板節點。

6.2鋼結構腐蝕處理。鋼結構的腐蝕生銹害處很大，既會降低鋼結構的強度和承載能力，又可能因腐蝕造成鋼結構變形、斷裂、垮塌，一旦引發事故就會造成巨大損失。因此，做好防腐工作是鋼結構建筑的重要工作，可以選用防腐涂料來預防鋼結構的腐蝕。從涂料的防腐年限、保光保色性、是否便于維修等方面進行選擇，室外鋼結構宜采用總漆膜厚度不小于150μm的長效防腐涂料。室內鋼結構宜采用鐵紅醇酸底漆一度、云鐵醇酸防銹漆一度、醇酸面漆兩度，總漆膜厚度160μm。

6.3偶然荷載。在大跨度天橋和會堂鋼結構分析中，偶然荷載主要是指地震作用。地震作用與風荷載的區別在于：地震作用完全屬于動力作用，而風荷載具有靜力和動力作用的雙重特點；地震作用與建筑物的重量直接相關，重量越大，地震作用也越大；而風荷載主要與體型（或流形）和開洞情況關系較大；建筑物的自振周期越長，對承受地震作用越有利，而對承受風荷載卻是很不利的。地震作用包括水平地震作用和豎向地震作用兩類。大跨度天橋和會堂鋼結構的地震作用一般可采用振型分解反應譜法計算；對于某些規則的網架和網殼結構還可采用簡化計算方法；對特別重要或體型特別復雜的空間結構，應采用時程分析法進行補充計算。

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