浅谈大跨度钢结构设计

浅谈大跨度钢结构设计

张宜健王占魁

山东科技大学土木工程与建筑学院山东青岛266590

摘要：众所周知，钢材具有轻质高强的特点，在进行大跨度钢结构的设计时，钢材就成为了众多建筑师所青睐的理想材料。相对于混凝土的笨重，采用钢结构可以使得建筑物自身重量大大降低。随着我国综合国力的日益增强，大跨度结构的建设也在我国日益兴盛起来。本文将从目前我国大跨度结构的设计现状出发，着重介绍各种类型的大跨度结构，如悬锁结构、网架结构等，并结合大跨度钢结构体系进行深入的分析，同时也对大跨度钢结构设计中所存在的一些问题进行深入的讨论，希望能引起相关设计人员的重视，努力实现我国大跨度钢结构设计再上新台阶。

关键词：大跨度，钢结构，设计，现状，要点

引言

对于大跨度建筑来说，水平构件受跨度影响最大。理论和试验表明对于水平构件的弯矩将按跨比的平方增长，对于建筑物的安全性来说，这是极其不利的。而在大跨度建筑设计时如果采用钢材，这种轻质高强且又结构布置灵活的材料能有效降低这一风险。因此钢材作为大跨度结构设计的理想材料得到广泛的应用。目前主要的大跨度结构有大型体育馆、候车室、航站楼等，不仅作为一个城市的发展名片，更体现了一个国家的综合实力水平。与国外相比，我国对大跨度建筑的研究起步较晚，在对大跨度建筑的设计方面还存在着诸多问题，例如设计理念和设计方法还相对落后、指标控制能力较低等，这些问题制约着我大跨度建筑设计事业的发展。设计师应当充分确保大跨度钢结构建筑的稳定性和牢固性，同时也要对整体性能进行充分的考虑和把握。

一、大跨度钢结构的类型。

1.1悬锁结构

采用柔性受拉锁以及其边缘的一些构件所形成的一种承重的空间结构被称为悬锁结构。悬锁结构主要通过锁的受拉来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯矩和剪力效应，基于此特点悬锁结构可以充分利用钢材的强度，使得很小截面的钢材却能承受很大的外部压力。悬锁结构具有形式多样且布置灵活等特点，主要应用于建筑工程和桥梁工程当中，既能满足建筑功能的要求又能满足造型的需要，因此受到建筑师们的青睐。

1.2网架结构

网架结构的应用时间较早，也因此在大跨度建筑结构中有较多的出现。网架结构是由多•根杆件按照某种特定的规律通过节点连接起来的空间结构。网架结构具有施工安装简便、平面布置灵活、经济指标好等特点，因此能得到广泛的应用。与其他大跨度所采用的结构形式相比，网架结构具有其独特的优势，网架结构传力途径简洁，整个网架钢结构刚度大，相对变形小，且整体性好，结构上的应力分布均匀，也因此作为大跨度建筑结构中才用较多的结构形式。

1.3薄膜钢结构

膜结构的起源较早，最早可追溯到世纪中叶，它以性能优良的柔软织物为材料，由膜内空气压力支撑膜面，或者是利用柔性钢锁或刚性支撑结构使膜面产生一定的预张力，从而形成具有一定刚度、能够覆盖大空间的结构体系。膜结构与其他大跨度建筑结构形式最大的一个不同是膜结构往往可以使结构内部的应力得到非常均匀的分布，同时与钢结构相结合，得益于钢结构的自身优势也使得整个结构具有良好的稳定性。除此之外，膜结构还具有自重轻、跨度大、抗震性能良好、建筑造型自由丰富、施工方便和透光性等特点，使得薄膜钢结构成为主要的大跨度建筑建构形式之一，得到了广泛的应用。

1.4金属拱壳钢结构

金属拱壳钢结构又被称为穹窿钢结构，该结构最早可被发现在2000多年前古希腊的建筑当中，20世纪40年代，美国结构设计师在一次对植物表皮纹理结构的研究过程中得到了灵感，并开始将极薄的材料应用在结构当中。金属拱壳钢结构使得建筑结构内部的空间得到了很好的延伸，与此同时还可使其与自生结构密切相连，就如同植物纹理的构造一样。金属拱壳钢结构的受力非常的科学合理这种结构能使得全截面均匀受力，能充分发挥材料的潜力，起到节约材料，减少造价的作用，金属拱壳钢结构使得建筑结构的经济性和可靠性相统一，在保证结构可靠性的前提下，最大限度的利用材料的工作性能，也因此能被应用到大跨度钢结构之中。

二、大跨度钢结构设计要点

2.1永久荷载

大跨度接结构的永久荷载主要来自屋盖自重以及防覆盖在屋盖上面的材料的自重，在对永久荷载的计算中应当充分考虑各种材料的自重，不要有所遗漏。

2.2可变荷载

可变荷载主要有屋面活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用和支座位移等，在对可变荷载进行计算时，应当充分考虑各种可变荷载的形式和取值，参照相应的设计规范进行设计。

2.3偶然荷载

偶然荷载对于大跨度结构的影响也是绝对不可忽视的，在对结构的受力分析时要充分考虑偶然荷载的作用，如地震荷载。设计师在对大跨度结构进行抗震设计时应根据工程规模和抗震结构设计规范进行计算。工程中通常采用设置地震缝的方式，来抵消地震荷载作用所造成的影响。

三、大跨度结构的设计现状

3.1设计方法滞后

计算分析和建筑模型比较是在进行大跨度结构设计时所常用的方法，但是目前我国在大跨度结构设计方面相对西方国家来说还比较落后，主要体现在所使用的设计方法和辅助工具的落后，只用不断完善设计方法，掌握更加先进的设计手段，才能使得大跨度钢结构的结构设计更加具有合理性。

3.2设计理念的滞后

设计理念的滞后是目前我在大跨度钢结构的设计方面存在的最大问题，钢材的性能优良，具有轻质高强等特点，结构的设计形式灵活多样，但是目前我国在大跨度钢结构的设计形式方面仍然采用传统的形式，不能发展出自己的形式，没能出现太多的结构新颖、造型独特的大跨度钢结构建筑，这也是大跨度钢结构再设计方面长期难以得到解决的问题。

3.3指标控制能力低

在对大跨度钢结构进行结构设计时，需要对几个关键指标进行控制，在此前提下还要保证建筑结构的弹性变形和承载力不能超出相应规定的范围，但在很多时候都不能达到预期的效果，我国在对大跨度钢结构指标控制能力方面还有待进一步的提升。

结束语

随着我国综合实力的日益提升，大跨度钢结构的设计也在我普遍应用起来。从另一方面来说，大跨度钢结构的设计也体现我国综合实力，向世界展示我国建造水平的好机会。但是目前我在大跨度钢结构设计方面相对于西方国家来说还比较落后，主要体现在设计方法落后、设计理念的滞后对于指标控制能力低等方面。这就要求结构设计人员要针对具体情况采取适当的方法，充分对钢结构的材质进行分析，选择相应的钢材，同时还应不断更新自己的设计理念，从而能设计出结构更加稳定，造型更加新颖独特的大跨度钢结构。

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作者简介：

张宜健（1994—），男，河南商城县人，硕士生，从事珊瑚混凝土力学性能的研究；

王占魁（1994-），男，山东潍坊人，硕士生，从事珊瑚混凝土力学性能的研究；