關于大跨度鋼結構設計的一些探討

摘 要：對于建筑結構來說，跨度越大，則其自重就越大且其水平構件的彎矩將按跨度比的平方增長，這是極其不利的，鋼結構強度高而質量輕且結構形式靈活，用于大跨度結構具有較大的優勢，因此在建筑結構中應用廣泛，例如體育館、候車室、飛機庫、航站樓等大跨度結構都用到了鋼結構。本文主要對大跨度房屋鋼結構設計中需要注意的一些問題進行簡單的探討。

關鍵詞： 大跨度房屋；鋼結構；設計

在眾多的結構形式中，鋼結構具有強度高、重量輕、組裝簡單、施工周期短等優點，在進行鋼結構設計時，要根據具體的工程情況，選擇合適的結構形式，在鋼材選擇上，要充分考慮結構的受力形式和大小，而且要根據建筑結構的標準，考慮鋼結構的抗火要求。此外，鋼結構建筑一般是采用工廠加工，現場拼裝的方式進行施工，這就需要鋼結構在運輸和起吊過程中有足夠的剛度，并保證穩定性要求。

1大跨度房屋鋼結構分類

大跨度房屋鋼結構按剛性差異以及它們的組合不同，分成三類：剛性結構、柔性結構及雜交（剛柔混合體系）結構。在此主要介紹以下兩種大跨度房屋鋼結構。

1.1剛性大跨度房屋鋼結構

剛性大跨度房屋鋼結構的構成如下：由大量鋼桿件組成，如：空間桁架、網架等，根據結構單元的形式不同可以分為以下兩種類型，一種稱為空間網格結構，另一種稱為空間結構。

1.2 柔性大跨度房屋鋼結構

柔性大跨度結構可由其受力體系的不同分為以下三類：豎直平面結構、水平層面結構及空間結構。在柔性鋼結構中，其受力較均勻，而且結構受力主要集中在豎直、水平和空間對稱位置上。如：懸索結構、膜結構等。

2 大跨度房屋鋼結構的設計要點

對于大跨度房屋結構來講，其主要設計依據是所受的荷載類型，按照相關的標準，可以將荷載分為以下幾類：永久荷載、可變荷載和偶然荷載。在進行結構設計時，還要注意結構布置合理、防震縫的設置等問題。

2.1永久荷載

對大跨度房屋結構，永久荷載主要由以下兩方面組成：屋蓋結構自重和屋面覆蓋材料自重。在永久荷載計算過程中，要根據具體的情況，不要遺漏任何應該計入自重的構件材料。

2.2可變荷載

在大跨度屋面鋼結構中，主要包括以下幾種可變荷載：（1）屋面活荷載。在一般情況下，屋面均布活荷載按水平投影面積進行計算。對于不同的屋面結構形式，屋面均布活荷載取值不同，不上人屋面均布活荷載標準值取0.5，上人屋面均布活荷載標準值取2.0kN/m2，但是在取值時，還是要充分考慮實際情況，對屋面活荷載取值進行修正。（2）雪荷載。大跨度結構對雪荷載相對比較敏感，屋面雪荷載在可變荷載中占有一定的比率，不同結構形式的屋面有不同的雪荷載值，而且還與屋面的朝向以及常年的風向有關。一般情況下，屋面雪荷載取值小于平面雪壓，因為屋面有一定的坡度，在雪落到屋面到時候，有部分已經沿傾斜的屋面滑落。然而，有些特殊結構形式的屋面會產生積雪，這就會使得雪荷載有所增加。因此在確定雪荷載時，要充分考慮實際情況。（3）風荷載。在風荷載作用下，屋面會產生一定的壓力或者吸力，而且風荷載具有靜力和動力作用的雙重特點，在計算風荷載的時候，要分別用靜力力學和動力學的知識進行求解，準確計算風荷載值。 大跨度結構的風載體型系數，一般通過風洞試驗獲得。（4）溫度作用。鋼結構不同于混凝土結構，其具有較大的熱脹冷縮性質，在一些溫差較大的地區，鋼結構會因為溫差產生變形，形成較大的內部荷載作用，稱為溫度應力，在計算溫度作用時，要根據不同的氣候條件進行考慮。 （5）支座位移。在大跨度房屋鋼結構中，支座位移所產生的桿件內部附加應力不可忽略，而且當支座產生較大的不均勻沉降時，有可能造成結構的局部損壞，甚至危及整個結構的安全，在活荷載計算中，要充分考慮支座位移引起的附加內力。

2.3 偶然荷載

在進行結構受力分析時，要充分考慮偶然荷載作用，本文主要考慮地震作用。地震作用是建筑物因地面運動而產生的一種慣性作用，屬于動力作用，通過達朗伯爾原理建立微分方程。它的大小既與結構的固有振動特性有關，又與地面運動的特性有關。大跨度房屋鋼結構受地震影響大，在房屋結構設計時，要保證屋蓋結構和支撐結構剛度分布均勻，有明確的傳力路線，這樣在地震作用下，就能夠使結構受到的荷載作用通過支座向下傳遞，避免鋼結構出現較大扭轉或者其他變形形式，保證結構的安全可靠。而且要針對房屋薄弱部分進行抗震分析，并進行加強，確保其受力符合要求，與整個結構協調。由于大跨度結構的平面投影尺寸較大，尚應考慮地震行波效應和局部場地效應。故對于大跨度空間結構來說，設置一定的防震縫是一種較好的方式，根據具體的工程規模和抗震要求，進行抗震驗算，并在合適的位置設置防震縫，以抵抗地震作用。在進行結構設計時，要嚴格控制結構的重量，而且在鋼材的選取上要充分考慮自振周期，盡可能使結構的自振周期相對較長，以使得結構可以通過變形釋放地震輸入的能量，這樣就可以減少地震作用對結構的影響。

2.4計算分析

在對結構進行分析計算時，要重視上部、下部結構的協同工作，并計入多向地震作用的效應。在進行設計時，要充分利用現有的一些結構分析軟件和先進的分析方法，對關鍵部位進行詳細設計，并針對具體情況，加強結構的穩定性。經過計算實踐表明，對于大跨鋼結構來說，可以采用以下幾種方法進行分析：多向地震反應譜法、時程分析法、多向隨機振動分析方法等。當然，要針對具體的工程項目選擇合適的方法，保證結構分析計算的可靠性。

3 結結語

本文首先對鋼結構的一些優勢進行了分析，進而提出大跨度房屋鋼結構設計要點。隨著社會和經濟的快速發展，各種大跨度結構出現的數量越來越多，而且，近年來，建筑施工技術不斷進步，這也為一些復雜的大跨度鋼結構的出現奠定了基礎，大跨度房屋鋼結構設計是經濟和社會發展的需要。我們從業者在進行鋼結構建筑的設計時，首先應根據建筑結構的使用年限，建筑結構的安全等級以及需要抗震建筑結構的抗震設防類別確定其基本要求。重點要依據可靠度的要求進行設計，在規定的時間，在規定的條件下，完成預定功能的概率設計。

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