探索建筑大跨度空間結構設計關鍵點

徐桑

摘 要：建筑行業發展過程中，相應施工技術水平，建筑形成朝著復雜化與多樣化方向發展，傳統建筑結構不能滿足公共建筑需求，且大跨度空間結構已經成為主流。相比于一般建筑結構，大跨度空間結構的施工難度比較大，且技術共有復雜，存在較多危險因素。為了全面提升空間結構的安全性與穩定性，維護建筑施工質量，必須注重研究大跨度空間結構設計，注重施工控制與管理。此次研究主要是探討分析建筑大跨度空間結構設計關鍵點。

關鍵詞：建筑大跨度空間;結構設計;關鍵點

大跨度空間結構設計與建設水平，能夠對建筑整體水平進行衡量。大跨度空間結的受力體系合理，因此被廣泛應用于大型建筑與公共建筑中。隨著科技與生產力水平的發展，建筑行業開始應用計算機技術，并且出現大量新型材料與高強度材料，在一定程度上促進大跨度空間結構的發展。

1、常見大跨度空間結構的特點

1.1網架結構

網架結構是若干桿件根據標準網格格式，采用節點連結方式形成空間結構。網架結構形式如下：按照結構組成劃分為雙層與三層;按照支承劃分為周邊、兩邊、三邊及混合支承;按照網格組成劃分為平面桁架體系與空間桁架體系。網架結構的優勢如下：第一，建筑高度小，可以充分應用建筑空間，經濟效益高;第二，網格結構具備整體性，剛度大，且抗震性能良好;第三，網格尺寸比較小，可以通過小規格桿件截面，有利于輕型屋面的應用。第四，輕型化制造，網格可以制作為不同標準尺寸，在工廠生產節點與零件。采用螺栓連接組合單位，便于安裝和拆卸，具備較高靈活性。第五，網架桿件與節點單一性，結構設計所需圖紙比較少。盡管網架結構存在多種優勢，然而在具體應用期間也具有不足和缺陷：節點區域需要使用大量鋼材，加工費用與制作費用比較高。

1.2預應力空心樓板結構

該結構體系屬于新型大跨度結構，結合預應力技術與空心樓板優勢，在跨度允許范圍內可以減輕樓板重量，減少鋼材與混凝土用量，提升結構整體性，經濟效益與社會效益良好，且使用功能顯著。應力空心樓板的應用優勢比較多，具體如下：第一，用途廣泛，多應用于市政工程、公路橋梁與建筑工程中;第二，跨度大，使用空間比較充足。第三，可以應用無梁結構，加大樓層凈高，減少結構自重。第四，中空樓板的隔音效果、隔熱效果顯著。第五，應用無梁結構，可以降低模板施工難度，加快建設進度。然而此種結構也存在缺陷與不足，比如結構聯合多種材料和技術，會加大施工難度，且質量要求高，技術人員必須接受專業化培訓。此外，預應力空心樓板的適用范圍有限，工程結構適用跨度為雙向14-27m，單向12-19m。

1.3桁架結構

桁架是由桿件焊接、鉚接和插銷連接形成的鋼結構，是由直桿組成的空間結構。在荷載作用影響下，桁架桿件會受到軸向拉力影響，提升材料強度，且材料使用量比較少，有助于減少結構自重，加大剛度。按照桁架外形，可以將其劃分為三角形、拆弦形與平行弦形。按照幾何組成方式，可以將其劃分為簡單式、復雜式和聯合式。按照水平推力，可以將桁架劃分為推力式與無推力式。桁架結構的應用優勢如下：第一，桁架結構造型簡單，且主次分明，跨度較大;第二，主拱桁架在工程現場開展下料、切口與預拼裝處理，無需在施工現場焊接。然而在應用桁架結構時也存在缺陷，由于鋼桁架弦桿構件下料切割與彎弧成型，因此在加工制造期間需要應用大量現金設備，以此滿足工程建設要求與精度要求。此外，桁架結構的自重比較大，整體工程造價高。

2、建筑大跨度空間結構設計關鍵點

2.1預應力結構設計要點

預應力混凝土結構發展歷經“簡支-連續、構件-整體、靜向-超靜定”環節，在預應力作用下，靜定與超靜定的區別如下：預應力結構可以對超靜定結構產生次應力，所以在預應力結構設計期間，必須科學分析和應用次應力。在預應力作用下，結構會出現變形問題。當屬于靜定結構時，變形不會受到約束，此時結構不會產生支撐反力，也不會出現次彎矩。然而若為超靜定結構，變形會受到支撐約束，此時在預應力作用下，結構就會產生附加支撐反力，該反力在結構內的彎矩為次彎矩，進一步產生次應力。通過應用次應力，可以發揮出預應力結構的作用與功能。

2.2網架結構的設計要點

在大跨度空間結構中，網架結構具備較高剛度，且整體性良好，屬于超靜定結構。如果支座產生不均勻沉降，剛度會嚴重影響整體結構的內力，所以必須優化設計支座，以此確保網架結構設計的有效性。建立工程模型開展數值分析，以此降低上弦跨中桿件內力，此時支座位置的桿件內力產生明顯變化，下弦內力不會產生明顯變化。網架結構與下部鋼筋混凝土結構的整體計算模型，和單獨模型內力存在顯著差異，當支座剛度越強時，差異值就越大，反之則越小。下部支承網架混凝土結構剛度會直接影響網架內力，當地震工況下所受的影響較大，則正常狀態下的荷載影響比較小。當支承結構剛度比較大時，則整體模型內力和單一模型制作內力比較接近。網架中的部分支座失效，不會影響網架內力，只是失效制作位置桿件會產生較大影響，然而桿件應力不會大于構件的極限強度。內力與重力分布良好，可以體現出網架高次超靜定結構的優勢。

2.3桁架結構的設計要點

在工程設計期間，桁架結構的設計要求如下：第一，具備充足強度，結構不能出現塑性變形和斷裂問題。第二，具備充足剛度，不能產生大的彈性變形;第三，具備充足穩定性，嚴禁出現失穩問題;第四，具備良好抗震性能。對于一般桁架結構，單一每榀桁架均具備較高的強度、承載力與剛度，然而每榀桁架的關聯性比較小，此時必須按照構造對設計內容進行優化，避免影響平面外穩定性，影響整體結構的穩定性。所以在設計期間必須控制平面外穩定性。

2.4結構防震縫設計

在大跨度空間結構設計中，必須考慮到防震縫問題，以此提升建筑抗震性能。在設置大跨度空間結構防震縫寬度時，必須將下部支撐結構作為框架，考慮由此形成的抗震墻，防震縫寬度約為150mm。在具體設計期間，寬度要求無法滿足結構防震要求，因此必須將結構控制在防震要求范圍內，將兩側結構的極限相對位移作為參考，合理確定防震縫寬度。當建筑結構呈規則形態時，可以將最大相對位移值×放大系數，將乘積結果作為最小防震縫寬度。

2.5空間結構布設

結構布置會對大跨度空間結構應力造成影響，為了確保設計方案的優質性，必須合理設置空間結構，確保質量與剛度均衡分布，以此維護結構穩定性。在上下結構設計期間，明確結構傳力路徑，并且選擇適宜的空間傳力體系，確保建筑結構可以呈現對稱分布狀態。

3、結束語

綜上所述，由于現代建筑的需求度不斷提升，開始出現大量以大跨度空間結構為基礎的建筑形式，可以不斷提升建筑施工水平，實現建筑行業的長久穩定發展。此次研究主要是分析大跨度空間結構的設計問題，可以為建筑設計與施工提供科學的理論依據與實踐檢驗，可以為同類工程設計提供參考價值。

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