淺析大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂涉及方案

張小麒（中冶焦耐工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116000）

淺析大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂涉及方案

張小麒
（中冶焦耐工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116000）

摘 要：大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂在現(xiàn)代建筑中比較常見，一般都應(yīng)用在會(huì)展或體育場(chǎng)的建設(shè)中，因其跨度非常大，因此需要大量的鋼材料，并且需要設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的屋頂形狀，避免受到外界拉力等影響，一般而言，針對(duì)這種鋼結(jié)構(gòu)屋頂，通常會(huì)對(duì)兩種方案進(jìn)行研究，一是剛性結(jié)構(gòu)體系方案，二是柔性結(jié)構(gòu)體系方案，具體選擇哪種方案，需要有關(guān)人員進(jìn)行進(jìn)一步的論證。本文主要通過(guò)對(duì)某一個(gè)工程概況的分析，來(lái)探討該種屋頂涉及到的方案，僅供交流使用。

關(guān)鍵詞：大跨度；鋼結(jié)構(gòu)屋頂；方案；思考

雖然大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)方案主要有剛性以及柔性結(jié)構(gòu)體系兩種方案，但是具體選擇哪種方案，則需要進(jìn)行分析論證，既要考慮到兩種方案的用鋼量，還應(yīng)該考慮到結(jié)構(gòu)體系自身的重量，此外，還需要注意材料的消耗等，只有充分的考慮到各個(gè)問(wèn)題，才能選擇出最為合理的方案，再加之，這個(gè)工程本身所耗費(fèi)的周期非常長(zhǎng)，因此需要認(rèn)真選擇，一旦選擇就不能再進(jìn)行更改。

一、工程概況

某市國(guó)際會(huì)展中心位于該市西南部，該國(guó)際會(huì)展中心將是集國(guó)際會(huì)議，辦公， 購(gòu)物， 休閑， 娛樂(lè)為一體的綜合性建筑。功能復(fù)雜， 建筑造型新穎別致。其中主體結(jié)構(gòu)國(guó)際會(huì)展中心， 跨度很大， 近 220m， 對(duì)設(shè)計(jì)，特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)體系的合理與否， 不僅是決定工程造價(jià)的關(guān)鍵因素之一， 而且直接決定著建筑意圖與功能能否實(shí)現(xiàn)。

二、大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)

依據(jù)上述工程概況，設(shè)計(jì)人員認(rèn)為以力學(xué)原理為依據(jù)，將其屋頂?shù)恼w結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，這主要體現(xiàn)在其傳力途徑上十分簡(jiǎn)單，但是這種設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)理念有些沖突，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的論證， 設(shè)計(jì)人員最終使用一個(gè)220m梭形體、一個(gè)50m的梭形體，將兩者形成一個(gè)蝴蝶形狀，這兩個(gè)梭形體都有最主要的組成部分就是巨形拱，其呈現(xiàn)出來(lái)的形狀是蚌殼，其脊背在下方面，而其口卻朝上，站在側(cè)面的角度來(lái)看，其主要呈現(xiàn)出來(lái)的是倒人字形。

為了使其能夠構(gòu)成蝴蝶，并且保證其兩個(gè)梭形體保持一定的距離，因此設(shè)計(jì)中重點(diǎn)就是如何保持整體側(cè)向水平剛度，此外，兩個(gè)梭形體如何能夠堅(jiān)實(shí)牢固的聯(lián)結(jié)起來(lái)，也成為設(shè)計(jì)人員需要解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。梭形體橫切面主要是以下懸線的方式存在，而其縱切面則是以上凸圓弧線的形式存在，采取哪種方案，更具有綜合優(yōu)勢(shì)，確保工程順利進(jìn)行，下文筆者將進(jìn)行研究。

三、大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋頂方案的幾點(diǎn)思考

從工程概況以及結(jié)構(gòu)體系中，可知該工程屬于大跨度屋頂，這種屋頂應(yīng)該采取哪些方案來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)呢？

1 剛性結(jié)構(gòu)體系

這是設(shè)計(jì)人員經(jīng)過(guò)研究論證所設(shè)計(jì)出來(lái)的第一種方案，該方案中4個(gè)巨拱作為空間鋼桁架，將其與地面進(jìn)行鉸接，其主要的功能是承受壓力，這種結(jié)構(gòu)形式即作為該建筑屋頂?shù)呢Q向支撐體系。此外，側(cè)面幕墻作為屋頂?shù)膽覓祗w系，幕墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件懸掛與大地進(jìn)行鉸接，其主要的功能是抵抗水平風(fēng)載，而且這種設(shè)計(jì)對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有著積極的作用，屋面結(jié)構(gòu)主要由工字鋼以及斜巷支撐桿構(gòu)成，前者處于橫向位置，而后者處于處于縱向位置，兩者相結(jié)合，構(gòu)成屋曲面網(wǎng)架，其空間性非常強(qiáng)。

巨拱曲線形狀要想達(dá)到預(yù)期的效果，需要做到兩方面，一是建筑造型應(yīng)該滿足功能空間要求，二是結(jié)構(gòu)受力應(yīng)該達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，巨拱曲線形狀分別為橢圓形以及懸鏈條線形狀能夠達(dá)到預(yù)期效果，因?yàn)檫@種兩種形狀不但可以使不同的斷面均勻的受到壓力，但是為了做到上述兩點(diǎn)要求，設(shè)計(jì)人員最終決定，將其形狀曲線確定為拋物線以及圓弧兩者之間的某一個(gè)曲線。設(shè)計(jì)人員利用有限元程序展開了研究，需要考慮結(jié)構(gòu)豎向以及橫向荷載的問(wèn)題，因?yàn)樵摰貐^(qū)的不屬于地震多發(fā)區(qū)，而且其本身也屬于抗震防烈度區(qū)，因此并不需要對(duì)抗震性進(jìn)行過(guò)度的考慮。

經(jīng)過(guò)研發(fā)分析，可以得出使用方案一的相應(yīng)的結(jié)果，首先，因?yàn)槲蓓斂缍冗_(dá)到了220m，這屬于大跨度，在這一跨度下，解決結(jié)構(gòu)自重的問(wèn)題是其重點(diǎn)。如果使用這種方案，其鋼用量非常多，其用量多，則屋頂?shù)恼w重量就會(huì)增加，因此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形情況的出現(xiàn)。如果使用鋼數(shù)量適當(dāng)?shù)臏p少，結(jié)構(gòu)變形自然會(huì)降低，屋頂整體的重量也會(huì)下降，施工周期也會(huì)適當(dāng)?shù)目s短，但是屋頂結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)等各項(xiàng)性能都會(huì)所有下降。為了取得最佳的效果，設(shè)計(jì)人員最終決定使用鋼量為120kg/ ㎡的位置作為一個(gè)平衡點(diǎn)，將其所能出現(xiàn)的位移控制在1/ 300以下。

其次，屋頂兩側(cè)的玻璃幕墻，選擇使用懸掛法作為重要，因?yàn)檫@種方法不僅可以將巨型桁架充分的利用起來(lái)，同時(shí)減少了幕墻骨架的拉彎受力，繼而可以降低用鋼量；再次，幕墻骨架可以起到穩(wěn)定屋頂整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的作用；最后，如果屋頂結(jié)構(gòu)空間受力十分清晰，這不僅減少桿件截面，進(jìn)而減少用鋼量的使用，作為重要的是能夠完全滿足屋面各方面的功能要求。

2 柔性結(jié)構(gòu)體系

這種結(jié)構(gòu)體系與剛性結(jié)構(gòu)體系有很大的差異，其利用大拱作為整個(gè)支承體系，之后由承重索以及拉索兩者相結(jié)合共同形成幾何體系，而且該體系應(yīng)該具備不變的性能，該方案設(shè)計(jì)人員主要是使用有限元程序進(jìn)行研究分析。

針對(duì)這個(gè)方案設(shè)計(jì)人員做出了如下假定：首先，拱角使用鉸接，其次，應(yīng)該按照初應(yīng)變施加的方法來(lái)計(jì)算索的預(yù)應(yīng)力，但是在計(jì)算時(shí)應(yīng)該考慮有可能存在大變形的情況；最后，加載的順利應(yīng)該明確，依據(jù)工程特點(diǎn)，應(yīng)該首先添加結(jié)構(gòu)自重，再添加索的預(yù)應(yīng)力，最后一步是添加恒載等。

經(jīng)過(guò)對(duì)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置和反復(fù)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)由于外拱平面外的變形使結(jié)構(gòu)發(fā)生很大位移， 屋面穩(wěn)定索中的預(yù)應(yīng)力消耗巨大， 幕墻索中的應(yīng)力又分布極不均勻， 這些因素造成結(jié)構(gòu)材料的浪費(fèi)。在內(nèi)外拱之間設(shè)置兩根剛性聯(lián)系梁后， 可緩解應(yīng)力集中， 減小結(jié)構(gòu)位移。用鋼量控制在 240kg/m2左右。如果拱采用鋼筋混凝土， 結(jié)構(gòu)用鋼量可降為 180kg/m2左右。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可知這兩種結(jié)構(gòu)體系都有其自身的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，但是從綜合角度來(lái)考慮，剛性結(jié)構(gòu)體系更適合應(yīng)用在本工程中，雖然該結(jié)構(gòu)體系的施工難度比較大，但是相比較而言，柔性結(jié)構(gòu)體系的用鋼量大，采取的支座反力影響都非常大，而且其是施工難度并不簡(jiǎn)單，因此綜合比較，剛性結(jié)構(gòu)更適合，但是在具體的應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)該盡可能的趨利避害，做好預(yù)防措施。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TU391

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