大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

摘要：結(jié)構(gòu)跨度越大，自重在全部荷載中所占的比重也就越大，減輕自重可以獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益，而鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高而質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)就特別突出，因此大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)常常被用于大型公共建筑和一些工業(yè)建筑中，如體育館、展覽館、俱樂(lè)部、影劇院、食堂、會(huì)議室、候車(chē)廳、飛機(jī)庫(kù)、車(chē)間等。在此我們就大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中要注意的問(wèn)題加以分析，請(qǐng)各位同業(yè)指正。

關(guān)鍵詞：大跨度；房屋；鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TU 392. 5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X(2012)03(c)-0000-00

與其他材料的結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有材料強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)重量輕;結(jié)構(gòu)的塑性韌性較好;鋼結(jié)構(gòu)的制造簡(jiǎn)單施工周期短等優(yōu)點(diǎn)。我們?cè)谶M(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)從工程實(shí)際出發(fā)，合理選用鋼材，選擇高強(qiáng)度、具有較好經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的鋼材;在結(jié)構(gòu)方案選擇上，應(yīng)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化的結(jié)構(gòu)布置;在連接設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳力直接的節(jié)點(diǎn)形式，并應(yīng)滿足構(gòu)造要求;另外，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還應(yīng)保證鋼結(jié)構(gòu)在加工、運(yùn)輸、安裝和使用過(guò)程中的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求，并應(yīng)針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際，滿足防火、防腐的要求。宜優(yōu)先選用通用的和標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，減少制作、安裝工作量。

1 大跨度房屋主要的鋼結(jié)構(gòu)劃分

大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)按剛性差異以及它們的組合不同，分成三類(lèi):剛性結(jié)構(gòu)(網(wǎng)架、網(wǎng)殼、空間精架)、柔性結(jié)構(gòu)(索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)、索一膜結(jié)構(gòu)、張拉集成結(jié)構(gòu))和雜交結(jié)構(gòu)。雜交結(jié)構(gòu)既可通過(guò)剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)的有機(jī)組合獲得，也可通過(guò)變更傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特性得到，如拉索一網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、拉索一網(wǎng)殼、拱一索、索一桁架等。

在此我們主要討論剛性大跨度房屋和柔性大跨度房屋：

1.1剛性大跨度房屋

剛性大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)主要是指由鋼桿件或鋼梁、鋼柑架組成的結(jié)構(gòu)，且其剛度由結(jié)構(gòu)的組成和構(gòu)件自身的剛度形成。當(dāng)結(jié)構(gòu)由規(guī)則的空間單元組成時(shí)，稱(chēng)為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，否則稱(chēng)為空間結(jié)構(gòu)。

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)主要有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、組合網(wǎng)架(殼)結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架(殼〕結(jié)構(gòu)等形式，一般由鋼桿件組成。具有受力合理、計(jì)算簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)、剛度大、抗震性能優(yōu)、用料省、制作安裝方便、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、造型豐富、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

空間結(jié)構(gòu)一般由鋼梁或鋼析架組成，在跨度較大時(shí)還輔以預(yù)拉力索以增加結(jié)構(gòu)剛度、減少用鋼量?？臻g結(jié)構(gòu)除了有與空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相同的優(yōu)點(diǎn)外，還具有結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)潔、更易體現(xiàn)建筑造型等優(yōu)點(diǎn)。但與空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相比，構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)類(lèi)型一般較多，制作較為不便。

1.2柔性大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)

柔性大跨度結(jié)構(gòu)的受力體系可分為豎直平面、水平層面及空間三大類(lèi)。其中，張力弦屋架、預(yù)張力索衍架體系屬于豎直平面受力體系;單層預(yù)張力索網(wǎng)體系和張力膜結(jié)構(gòu)體系屬于水平層面受力體系;空間預(yù)張力索網(wǎng)格體系、索彎頂和張拉集成體系屬于空間受力體系。

2 大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

大跨度房屋主要按照荷載類(lèi)型進(jìn)行設(shè)計(jì)，其荷載主要分為永久荷載、可變荷載、偶然荷載。對(duì)于永久荷載，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值。對(duì)于可變荷載，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值或準(zhǔn)永久值作為代表值。對(duì)于偶然荷載，應(yīng)按照建筑結(jié)構(gòu)使用的特點(diǎn)確定其代表值。

2.1永久荷載

對(duì)大跨度房屋結(jié)構(gòu)，永久荷載主要包括屋蓋結(jié)構(gòu)自重和屋面覆蓋材料自重。

屋蓋結(jié)構(gòu)的自重計(jì)算可采用經(jīng)驗(yàn)公式或由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，在有擦體系中，還應(yīng)計(jì)入擦條的自重。屋面覆蓋材料自重主要是指屋面板、屋面保溫層、找坡層及防水層等的自重。若有吊頂?shù)妊b修構(gòu)造或設(shè)備管道，按實(shí)際情況采用。

2.2可變荷載

作用在大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)上的可變荷載有以下幾種。

（1）屋面活荷載。屋面均布活荷載一般按屋面的水平投影面計(jì)算。對(duì)于大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)，不上人屋面，屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用0. 5 KN/m2，但當(dāng)施工或維修荷載較大時(shí)，應(yīng)按實(shí)際情況采用，或在施工中采取特殊措施;上人屋面，屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用2. 0 kN/ m2。

（2）雪荷載。屋面雪荷載的大小主要與屋面的幾何形狀、朝向和風(fēng)向等有關(guān)。大多數(shù)情況下，屋面雪荷載小于荃本雪壓。這是因?yàn)檠┛蓮钠露容^大的曲面屋頂滑落，風(fēng)可將松散的雪從平屋頂刮下，有時(shí)雪還可能被屋頂外皮的散熱所融化。然而，有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生積雪，如雙坡屋面的背風(fēng)一側(cè)、雙跨或多跨曲面屋頂?shù)慕唤犹幍取４藭r(shí)必須考慮采用較大的雪荷載。

（3）風(fēng)荷載當(dāng)空氣的流動(dòng)受到建筑物的阻礙，就會(huì)在建筑物表面的法向形成壓力或吸力，這些壓力或吸力稱(chēng)為建筑物所受的風(fēng)荷載。風(fēng)荷載具有靜力和動(dòng)力作用的雙重特點(diǎn)，其靜力部分稱(chēng)為平均風(fēng)或穩(wěn)定風(fēng)，動(dòng)力部分稱(chēng)為脈動(dòng)風(fēng)。平均風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用可用靜力學(xué)的方法求得;脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用應(yīng)采用動(dòng)力學(xué)的隨機(jī)振動(dòng)理論求得。

（4）溫度作用。大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)在因溫度變化而出現(xiàn)溫差時(shí)，由于桿件不能自由變形，會(huì)在桿件中產(chǎn)生應(yīng)力，即溫度應(yīng)力。溫差的大小與結(jié)構(gòu)合攏時(shí)的溫度與當(dāng)?shù)啬曜罡呋蜃畹蜌鉁叵嚓P(guān)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮。關(guān)于溫度應(yīng)力的計(jì)算原則按空問(wèn)結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)程執(zhí)行。

（5）支座位移。大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)由于位移的不均勻沉降而引起結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)附加應(yīng)力。

2.3 偶然荷載

在大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)分析中，偶然荷載主要是指地震作用。

地震作用是建筑物因地面運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的一種慣性作用，屬于動(dòng)力作用。它的大小既與結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性有關(guān)，又與地面運(yùn)動(dòng)的特性有關(guān)。

地震作用與風(fēng)荷載的區(qū)別在于:①地震作用完全屬于動(dòng)力作用，而風(fēng)荷載具有靜力和動(dòng)力作用的雙重特點(diǎn)。②地震作用與建筑物的重量直接相關(guān)，重量越大，地震作用也越大;而風(fēng)荷載主要與體型(或流形)和開(kāi)洞情況關(guān)系較大。③建筑物的自振周期越長(zhǎng)，對(duì)承受地震作用越有利，而對(duì)承受風(fēng)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(lèi)。一般情況下，應(yīng)在結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向分別考慮水平地震作用，對(duì)于8度和9度區(qū)，還應(yīng)計(jì)算大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)的豎向地震的作用。

大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)的地震作用一般可采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算;對(duì)于某些規(guī)則的網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)還可采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法;對(duì)特別重要或體型特別復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。

結(jié)語(yǔ)

大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要。當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人民生活水平日益提高，世界各國(guó)紛紛籌劃建造更大、更高、更長(zhǎng)的各種超大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)物。來(lái)滿足人們對(duì)生活空間的追求。我們從業(yè)者在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的使用年限，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)以及需要抗震建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類(lèi)別確定其基本要求。重點(diǎn)要依據(jù)可靠度的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，在規(guī)定的時(shí)間，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率設(shè)計(jì)。

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