大跨度鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵問題分析與研究

張春霞

（河北省張家口市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，河北 張家口075000）

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，網(wǎng)架、會(huì)堂、劇院等大型公共建筑以及不同類型的工業(yè)建筑獲得了廣泛應(yīng)用。同時(shí)我國大跨鋼結(jié)構(gòu)也得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。大跨鋼結(jié)構(gòu)的形式逐漸多樣化，技術(shù)日益成熟，尤其是預(yù)應(yīng)力技術(shù)和新材料的應(yīng)用進(jìn)一步推動(dòng)了大跨鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。在發(fā)展的同時(shí)，大跨鋼結(jié)構(gòu)存在一些共性的問題，值得我們進(jìn)一步關(guān)注。

1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題

大跨鋼結(jié)構(gòu)在進(jìn)行穩(wěn)定分析與設(shè)計(jì)時(shí)，要求結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)人員對(duì)整體穩(wěn)定的基本概念、失穩(wěn)的類型及產(chǎn)生失穩(wěn)的原因予以預(yù)見，才能在工程實(shí)踐中，運(yùn)用正確的計(jì)算方法，采取合理的計(jì)算模型，避免采用錯(cuò)誤的推論，得到安全可靠的工程成果。以下是在大跨鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析，常見問題。

1.1 臨界荷載的近似估計(jì)

在設(shè)計(jì)的初步階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和擬定結(jié)構(gòu)類型，預(yù)先假定擬建結(jié)構(gòu)的臨界荷載值，大跨空間結(jié)構(gòu)首先應(yīng)考慮穩(wěn)定問題，因其結(jié)構(gòu)反應(yīng)呈非線性特性，因此只能通過簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的臨界荷載作出近似估計(jì)，確定臨界荷載?？刹捎脛偠鹊刃У脑瓌t，計(jì)算結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)的內(nèi)力及確定失穩(wěn)狀態(tài)，合理的臨界荷載近似值是有效的確定結(jié)構(gòu)類型的首要條件。

簡(jiǎn)化模型的計(jì)算桿件數(shù)量比工程實(shí)際構(gòu)件數(shù)量少，因此簡(jiǎn)化模型可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)體系是否穩(wěn)定，及確定主要受力桿件的應(yīng)力分布情況，從而確定結(jié)構(gòu)體系采用是否合理。對(duì)于實(shí)際每一個(gè)桿件的應(yīng)力研究和計(jì)算，須在驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，采用分解和有限元法等計(jì)算方法予以確定。

1.2 預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類型

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的方案制定階段，應(yīng)預(yù)見性的判別結(jié)構(gòu)方案的失穩(wěn)類型，判斷結(jié)構(gòu)的破壞類型是突發(fā)的脆性破壞還是有預(yù)兆的延性破壞，有無破壞荷載的安全儲(chǔ)備，以及引起失穩(wěn)的主要因素。據(jù)此從候選方案中，選擇性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行下一步的計(jì)算分析。若對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的非線性分析，能夠定性的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的可能失穩(wěn)類型，將對(duì)非線性分析數(shù)值模型和分析方法的選擇提供有益的概念指導(dǎo)。

工程實(shí)踐表明，許多大跨結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式很難予以界定，純粹單一的結(jié)構(gòu)形式很少見，常是多種類型的組合體，很難直接推測(cè)其可能的失穩(wěn)狀態(tài)。從結(jié)構(gòu)屈曲前的變形特點(diǎn)來分析，可以判別一個(gè)結(jié)構(gòu)是分叉型失穩(wěn)還是極值型失穩(wěn)。分叉型失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)在屈曲發(fā)生前，它的構(gòu)件的變形主要表現(xiàn)為軸向壓縮變形，從整個(gè)結(jié)構(gòu)宏觀反應(yīng)來看，這種變形非常微小，甚至可以忽略，屈曲前荷載一位移曲線基本上是直線；屈曲后，結(jié)構(gòu)將突然變?nèi)?，變形快速發(fā)展。極值型失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)，無論桿件還是結(jié)構(gòu)體系，其剛度都是隨荷載的施加逐漸變小，屈曲發(fā)生前結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生明顯、不可忽略的變形，屈曲前荷載一位移是呈明顯彎曲的非線性曲線。

1.3 進(jìn)行簡(jiǎn)單模型及非線性分析

大跨空間結(jié)構(gòu)，由龐大數(shù)量桿件組成，即使簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)模型，其自由度也成千上萬，非線性反應(yīng)特征明顯，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)之前，有必要用有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的非線性數(shù)值分析。采用有限元分析的結(jié)果可靠與否，取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員是否采用了合理的分析模型。只有建立在定性分析結(jié)構(gòu)反應(yīng)的基礎(chǔ)上，才能確定合理的數(shù)值分析模型，同時(shí)，這些特點(diǎn)又可以作為有限元分析結(jié)果是否可靠的一個(gè)評(píng)判依據(jù)。這一點(diǎn)不論對(duì)線性分析還是對(duì)涉及到非線性的穩(wěn)定分析都是永遠(yuǎn)成立的。此外，從非線性分析技術(shù)本身來說，要準(zhǔn)確把握結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)的特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)分析的類型、非線性分析的有限元列式及數(shù)值求解方法作出合理的選擇。所以，大跨結(jié)構(gòu)的非線性分析應(yīng)從簡(jiǎn)單模型開始，使結(jié)構(gòu)分析人員對(duì)結(jié)構(gòu)的非線性特性有一個(gè)初步的了解。在此基礎(chǔ)上，采用合理的分析模型和計(jì)算方法，逐步細(xì)化分析模型，直至計(jì)算結(jié)果達(dá)到滿意程度為止。

2 防腐問題

鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、塑性韌性好、材質(zhì)均勻、工作可靠性高，適用機(jī)械化加工，工業(yè)生產(chǎn)程度高，施工周期短以及密封性能好等優(yōu)點(diǎn)。但是，易腐蝕是鋼結(jié)構(gòu)的致命缺點(diǎn)之一，鋼結(jié)構(gòu)一旦被腐蝕，其強(qiáng)度、 塑性等主要力學(xué)性能指標(biāo)顯著下降，嚴(yán)重地降低了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑物的安全性和耐久性。

當(dāng)鋼材表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生各種形式的化學(xué)作用時(shí)，銹蝕就不可避免。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的種類

鋼材由于和外界介質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的損壞過程稱為“鋼材的銹蝕”。鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕按其作用可分為以下兩類：

化學(xué)腐蝕是指鋼材直接與大氣或工業(yè)廢氣中含有的氧氣質(zhì)液體發(fā)生表面化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕。

電化學(xué)腐蝕是由于金屬內(nèi)部有其它金屬雜質(zhì)，他們具有不同的電極電位，在與電解質(zhì)、水或潮濕氣體接觸時(shí)，產(chǎn)生原電池作用，鋼材腐蝕。

實(shí)際工程中，絕大部分鋼材銹蝕是電化學(xué)腐蝕或電化學(xué)腐蝕與化學(xué)腐蝕共同作用的結(jié)果。

大跨結(jié)構(gòu)鋼材暴露在空氣中未得到必要防護(hù)時(shí)，與空氣中的O2、H2S、SO2作用，鋼材表面產(chǎn)生一層電解質(zhì)水膜，結(jié)構(gòu)表層不同成分或界面之間構(gòu)成千千萬萬個(gè)腐蝕電池。在陽極區(qū)，鐵被氧化成Fe+2離子進(jìn)入水膜。因?yàn)樗腥苡衼碜钥諝庵械难?，在陰極區(qū)氧被還原為OH-離子，兩者結(jié)合成不溶于水的Fe(OH)2，并進(jìn)一步氧化成疏松易剝落的紅棕色鐵銹Fe(OH)3。在工業(yè)大氣的條件下，鋼材較容易銹蝕。

2.2 鋼材在腐蝕條件下的力學(xué)性能

常溫下正常鋼材的基本力學(xué)性能較穩(wěn)定，離散型不大，各力學(xué)性能指標(biāo)均符合新的鋼材國家標(biāo)準(zhǔn)，鋼材在受腐蝕條件下，其屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長率等基本力學(xué)性能指標(biāo)隨腐蝕程度加劇而降低。所以，鋼材的腐蝕程度與使用環(huán)境有密切的關(guān)系

3 防火問題

鋼材耐熱但不耐火的性質(zhì)、火災(zāi)發(fā)生因素的增加、規(guī)模的擴(kuò)大，給生產(chǎn)生活帶來的生命和財(cái)產(chǎn)損失也越來越大。文獻(xiàn)通過對(duì)我國1960-2005年所發(fā)生的建筑火災(zāi)坍塌事例的調(diào)查，結(jié)果顯示鋼結(jié)構(gòu)建筑在火災(zāi)中易發(fā)生坍塌事故，尤其是工業(yè)廠房屋架的坍塌。大跨度鋼結(jié)構(gòu)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)存在以下特點(diǎn)：火勢(shì)發(fā)展快，易形成大面積燃燒。鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火性能差，易倒塌，撲救困難等。

3.1 火災(zāi)下鋼材的力學(xué)性能

當(dāng)鋼材長期經(jīng)受100℃輻射熱時(shí)，性能變化不大，具有一定的耐熱性能。但當(dāng)溫度超過200℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)蘭脆現(xiàn)象，當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，鋼材進(jìn)入熱塑性狀態(tài)，將喪失承載能力。在火災(zāi)中，鋼材很高的熱膨脹系數(shù)會(huì)造成結(jié)構(gòu)在高溫下屈曲，而其良好的導(dǎo)熱性能使鋼構(gòu)件的溫度不斷升高，強(qiáng)度和剛度迅速下降，結(jié)構(gòu)的承載能力隨之下降，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件局部或整體破壞。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)

3.2.1 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

鋼結(jié)構(gòu)主要的防火方法是涂敷隔熱圖層，如STI-A、LG等防火涂料，施涂于鋼結(jié)構(gòu)表面，形成耐火隔熱保護(hù)層，提高鋼結(jié)構(gòu)耐火極限。這些涂料導(dǎo)熱系數(shù)小，附著力強(qiáng)，無毒，質(zhì)輕，易于施工。先對(duì)鋼件表面進(jìn)行噴砂除銹處理，使其表面露出金屬光澤并打毛。然后用乙炔氧焰將不斷送出的鋁（鋅）絲融化，并用壓縮空氣吹附到鋼件表面，以形成蜂窩狀的鋁（鋅）噴涂層（厚度約80～100μm）。最后用環(huán)氧樹脂漆或丁苯橡膠漆等填充毛細(xì)孔，以形成復(fù)合涂層。

3.2.2 外部混凝土封閉法

采用現(xiàn)澆混凝土作外包層，在鋼結(jié)構(gòu)外部采用噴射的方法，且澆筑混凝土?xí)r可設(shè)置少量小直徑鋼筋，防止混凝土外保護(hù)層開裂影響耐火性。也可采用現(xiàn)澆混凝土板材。用固定件、固定卡按照鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件形狀、尺寸拼裝、連接，形成保護(hù)層。

3.2.3 內(nèi)部蓄水法

空心鋼結(jié)構(gòu)中，鋼構(gòu)件空隙大，具備蓄水功能，可在構(gòu)件中注滿水，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，可降低構(gòu)件溫度，延長鋼構(gòu)件失效的時(shí)間，蓄水可以進(jìn)行循環(huán)利用，火災(zāi)時(shí)，水經(jīng)過鋼構(gòu)件傳熱、循環(huán)冷卻、繼續(xù)吸熱的過程，即降低了構(gòu)建溫度有節(jié)約了水資源，是一種有效的降溫措施。

3.2.4 防火板材包覆法

采用無機(jī)防火板材對(duì)大型鋼構(gòu)件進(jìn)行箱式包裹 ，無機(jī)防火板材采用復(fù)合黏結(jié)劑為膠結(jié)材料，以空心玻璃微珠、粉煤灰、石灰粉等為隔熱填料壓制成型，對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行外圍保護(hù)，該種方法安裝容易、節(jié)省空間、裝飾效果好，近年來實(shí)際工程中多采用此法。

3.2.5 復(fù)合保護(hù)法

采用防火涂料或柔性隔熱保溫材料做基層，以防火隔板作面板。防火效果顯著、隔熱性能良好、但是應(yīng)因施工工藝復(fù)雜、施工時(shí)間長、工程造價(jià)高、大跨度結(jié)構(gòu)的載荷等原因，在實(shí)際應(yīng)用中，大跨度鋼結(jié)構(gòu)即使采用了該種防火方法，對(duì)于大空間、大跨度鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火等級(jí)也很難達(dá)到二級(jí)。

4 鋼材選用

在碳素鋼中加入能提高抗腐蝕能力的合金元素，如鉻、鎳、錫、鈦和銅等，制成不同的合金鋼，能有效地提高鋼材的抗腐蝕能力。

5 結(jié)語

隨著大跨度鋼結(jié)構(gòu)理論研究的深入和工程實(shí)踐的大量增加，我國在大跨空間鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵問題的研究更加深入，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題、防火防腐問題，提出了更有效的解決方法，同時(shí)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題不止存在這幾個(gè)方面，更多的需要我們工程人員、科研人員進(jìn)行深入研究，充分體現(xiàn)大跨空問結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性與合理性，促進(jìn)我國大跨空間鋼結(jié)構(gòu)更積極、健康的發(fā)展。

[1]楊楨.我國大跨空間鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用發(fā)展的主要特點(diǎn)[J].林業(yè)科技情報(bào)，2006.

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[3]陳景文.大空間、大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房的防火設(shè)計(jì)分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009.