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摘要：随着我国建筑业的不断发展，我国的建筑设计行业也取得了较大的发展和进步，在现代建筑设计的过程中，不仅实现了对建筑结构的整体优化，还实现了对建筑结构尤其是基础结构的增强。大跨度钢结构设计与施工一直是一个值得探讨的问题，本文就大跨钢结构的特点、分类以及钢结构的施工方法等方面对大跨度钢结构设计进行简要的分析。
关键词：大跨度建筑； 建筑钢结构； 钢结构设计研发
中图分类号：TU391文献标识码： A
引言：
随着国家经济的飞速发展和大型社会文化体育活动的举办，社会对大跨度空间的需求越来越多，在此背景下，大跨度建筑结构的建造技术得到了快速的发展和提高。大跨度建筑结构形式是大跨度建筑结构建造技术的核心之一，近年来，国内外学者为提高结构的跨越能力和经济性能，提出了多种新型的大跨度建筑结构形式，如张弦结构体系、索穹顶结构、索膜结构、桁架结构、拱支结构等。依我国现已建成的湖南株洲有地标性的神农大剧院，(220mx120mx6 5m)的大跨度螺壳空间桁架结构体系，外壳的支承结构采用桁架柱脚与下部砼结构连接，上部与压力环连接。外壳主体结构除在柱脚处与下部砼结构连接外，其余完全脱开，形成建筑形态上的螺旋特征，结构体系造型新颖美观。
神农大剧院效果图
一、大跨度钢结构的特点及分类
钢结构是指用钢制构件通过连接形成的能承受和传递荷载的工程结构形式。钢结构体系具有强度高、刚性好、自重轻、工厂化程度高、抗震性能好、结构寿命长、回收利用率高等综合优势,与钢筋混凝土结构相比,在建造大跨度和超高、超重结构方面有着得天独厚的优势。
随着钢结构技术的发展,大跨度、高复杂度的钢结构越来越多地出现在人们的视线中。在大跨度方面,由于網架、膜结构、悬索结构等的应用,使大跨度钢结
构不仅在飞机制造厂的装配车间、停机库、C:煤库等工业建筑中得到广泛的应用,而且在公共建筑方面,如各种大型体育馆和会议展览中心也都成为大跨度钢结构的应用领域。如长沙国际会展中心（90m跨）、上海浦东机场一期航站楼（80m跨）、广州国际会展中心(126m跨)等大跨度张弦钢结构,中国国家大剧院(212mX143mX45m)、中国航海博物馆(70mX70m)等大型壳体钢结构,以及鸟巢、水立方等大型特殊钢结构,都是大跨度钢结构应用领域的明星。
大跨度钢结构表现形式多样,应用范围广泛,涵盖内容丰富,难以给出明确的定义;同时,划分普通结构和大跨度钢结构的具体跨度数值也没有统一的标准,目前在国家标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工规程》中将跨度超过60m的结构定义为大跨度结构,而这一标准也必然会随着钢结构技术的进步而得到提高。
大跨度钢结构有多种分类方法,根据其结构特点和受力特征可以分为平面结构和空间结构两大类。平面结构具有二维空间形状,在荷载作用下其内力和变形表现为二维特征,常见的有弯曲工作的梁结构、受压和弯曲工作的刚架以及由单向弯曲构件组成的拱结构等;由于平面结构在垂直平面方向的承载能力及稳定性较弱,因此其在大跨度钢结构中的应用范围相对较小。空间结构具有三维空间形状,在载荷作用下内力和变形表现为三维特征,其内力以面内力或轴力为主,内力分布相对比较均匀,结构整体性好,具有比平面结构更好的力学性能,因此应用范围很广。从结构形式上看,大跨度及空间钢结构在近30年来得到了很大的发展,从比较单一的网架、网壳等结构逐渐发展到现在的各式组合杂交体系,很多其他领域的结构形式也被借鉴到大跨度及空间结构中,使这一领域的结构体系呈现出变化多端、不断创新的格局。
二、大跨度钢结构的施工方法
大跨度钢结构的成型过程是将一系列单个构件或事先完成拼装的准结构单元通过施工技术逐渐安装就位形成最终结构的过程。一般来讲,由于几何形态和边界条件的不同,结构在施工状态下的力学分析与其在正常使用过程中(设计阶段)的计算分析有很大差别,特别是现代大型、大跨度、高复杂度的钢结构,施工及安装方案会直接影响到结构施工过程中及成型后的形态及受力状态。结构在施工过程中可能会因为施工载荷的作用而发生预料外的永久变形,导致成型后的结构与设计状态下相差甚远,从而丧失其部分功能,比如美学功能,严重时可能导致结构无法正确安装就位,从而丧失其全部设计功能;结构也有可能在施工过程中因为失去平衡而发生倾覆,或者由于强度不足造成局部构件、节点的破坏,进而导致整个结构失去稳定而倒塌。钢结构建造领域/因施工方案设计不当而造成的事故时有发生,造成的人员伤亡和经济损失极大,如南京浦口区2007年7月31日发生的60m跨厂房钢屋盖安装将塌事故,就是因为安装过程中结构发生平面外失稳而整体坊塌造成的。
因此,设计人员在设计结构的过程中,不仅要重视结构在正常使用状态下的性能,还应该稍加考虑结构的施工安装方法和成型过程,确保结构能够正常施工安装,且成型后的结构能够满足各项设计指标。同样,施工方案设计人员也应该充分了解结构在设计状态下的各项性能指标,在满足工程质量、施工安全、工程进度和经济效益等要求的前提下,结合施工现场条件和设备机具等资源的可落实情况等因素,合理地选择结构成型及施工方法。特别地,对大跨度、高复杂度的钢结构,有必要对结构在施工过程中不同的工况状态进行跟踪分析,全面掌握结构在施工过程中各项性能指标的变化情况,动态地检查结构在安装过程中的安全性和可靠性。对某些重要结构,还可以通过试验的方法验证施工方案的可行性,为相关工程提供参考。大跨度钢结构常用的安装方法见表1：
表1 大跨度钢结构常用安装方法
随着大跨度钢结构工程规模的日趋大型化、复杂化,安装方法也有很大的发展,大量的创新技术不断涌现,如上海旗忠森林网球中心钢屋盖釆用的曲线顶推安装技术、河南南阳鸭河口电厂某煤棚网架采用的折叠展开提升安装技术、矩阵式整体累积顶推安装技术等，同时施工方法也在朝着集成化方向发展,多种不同的安装方法在一个大型工程中被组合应用,如上海浦东国际机场二期航站楼钢屋盖安装工程中就组合运用了整体吊装、滑移、提升等多种安装方法。
无论在单一安装法施工中,还是组合安装法施工中,整体吊装技术均可以最大限度地满足其他工种的交叉施工要求,节约施工工期;减少临时支撑的使用,节约措施周转,节约成本和资源;高空作业量少,作业更安全:施工辅助设备少,噪声低,具有良好的社会和环境效益。随着近年来工程起重机械行业的蓬勃发展,各种大吨位、特大吨位起重机相继投入使用,使得整体吊装技术得以充分发挥其优点,因而日益受到设计人员的青睐。
三、结束语
综上所述，对于大跨度钢结构,如何选择合理的结构形式,使其具有良好的抗震、抗风及整体稳定性能,从而保证其安全、经济、合理,在实际设计中具有重要的意义。随着设计理论更加科学、完善,设计手段更加先进,新材料新工艺的不断涌现,新的结构形式将会层出不穷,对大跨度钢屋盖方案的分析将会更加全面、合理,为制定出更能满足建筑造型需要的结构形式,结构受力最为合理、施工最为可行的结构方案提供更强的技术支持。
参考文献
[1] 杨桢：《我国大跨空间钢结构应用发展的主要特点》，《林业科技情报》，2006年04期
[2] 范重 彭翼 王喆 钱稼茹 赵作周：《国家体育场主结构扭曲箱形构件设计
研究》，《建筑结构学报》，2007年02期
[3] 葛家琪 王树 张国军 李健 侯君坚：《东北师范大学体育馆体内预应力大跨度钢管桁架结构设计研究》，《建筑结构》，2009年10期
[4] 刘鑫刚 葛家琪 张国军 王树 王耀峰 赵雅：《承受弯矩大直径空间相贯节点足尺模型试验与设计研究》，《建筑结构》，2010年12期
关键词：大跨度建筑； 建筑钢结构； 钢结构设计研发
中图分类号：TU391文献标识码： A
引言：
随着国家经济的飞速发展和大型社会文化体育活动的举办，社会对大跨度空间的需求越来越多，在此背景下，大跨度建筑结构的建造技术得到了快速的发展和提高。大跨度建筑结构形式是大跨度建筑结构建造技术的核心之一，近年来，国内外学者为提高结构的跨越能力和经济性能，提出了多种新型的大跨度建筑结构形式，如张弦结构体系、索穹顶结构、索膜结构、桁架结构、拱支结构等。依我国现已建成的湖南株洲有地标性的神农大剧院，(220mx120mx6 5m)的大跨度螺壳空间桁架结构体系，外壳的支承结构采用桁架柱脚与下部砼结构连接，上部与压力环连接。外壳主体结构除在柱脚处与下部砼结构连接外，其余完全脱开，形成建筑形态上的螺旋特征，结构体系造型新颖美观。
神农大剧院效果图
一、大跨度钢结构的特点及分类
钢结构是指用钢制构件通过连接形成的能承受和传递荷载的工程结构形式。钢结构体系具有强度高、刚性好、自重轻、工厂化程度高、抗震性能好、结构寿命长、回收利用率高等综合优势,与钢筋混凝土结构相比,在建造大跨度和超高、超重结构方面有着得天独厚的优势。
随着钢结构技术的发展,大跨度、高复杂度的钢结构越来越多地出现在人们的视线中。在大跨度方面,由于網架、膜结构、悬索结构等的应用,使大跨度钢结
构不仅在飞机制造厂的装配车间、停机库、C:煤库等工业建筑中得到广泛的应用,而且在公共建筑方面,如各种大型体育馆和会议展览中心也都成为大跨度钢结构的应用领域。如长沙国际会展中心（90m跨）、上海浦东机场一期航站楼（80m跨）、广州国际会展中心(126m跨)等大跨度张弦钢结构,中国国家大剧院(212mX143mX45m)、中国航海博物馆(70mX70m)等大型壳体钢结构,以及鸟巢、水立方等大型特殊钢结构,都是大跨度钢结构应用领域的明星。
大跨度钢结构表现形式多样,应用范围广泛,涵盖内容丰富,难以给出明确的定义;同时,划分普通结构和大跨度钢结构的具体跨度数值也没有统一的标准,目前在国家标准《钢结构设计规范》、《网架结构设计与施工规程》中将跨度超过60m的结构定义为大跨度结构,而这一标准也必然会随着钢结构技术的进步而得到提高。
大跨度钢结构有多种分类方法,根据其结构特点和受力特征可以分为平面结构和空间结构两大类。平面结构具有二维空间形状,在荷载作用下其内力和变形表现为二维特征,常见的有弯曲工作的梁结构、受压和弯曲工作的刚架以及由单向弯曲构件组成的拱结构等;由于平面结构在垂直平面方向的承载能力及稳定性较弱,因此其在大跨度钢结构中的应用范围相对较小。空间结构具有三维空间形状,在载荷作用下内力和变形表现为三维特征,其内力以面内力或轴力为主,内力分布相对比较均匀,结构整体性好,具有比平面结构更好的力学性能,因此应用范围很广。从结构形式上看,大跨度及空间钢结构在近30年来得到了很大的发展,从比较单一的网架、网壳等结构逐渐发展到现在的各式组合杂交体系,很多其他领域的结构形式也被借鉴到大跨度及空间结构中,使这一领域的结构体系呈现出变化多端、不断创新的格局。
二、大跨度钢结构的施工方法
大跨度钢结构的成型过程是将一系列单个构件或事先完成拼装的准结构单元通过施工技术逐渐安装就位形成最终结构的过程。一般来讲,由于几何形态和边界条件的不同,结构在施工状态下的力学分析与其在正常使用过程中(设计阶段)的计算分析有很大差别,特别是现代大型、大跨度、高复杂度的钢结构,施工及安装方案会直接影响到结构施工过程中及成型后的形态及受力状态。结构在施工过程中可能会因为施工载荷的作用而发生预料外的永久变形,导致成型后的结构与设计状态下相差甚远,从而丧失其部分功能,比如美学功能,严重时可能导致结构无法正确安装就位,从而丧失其全部设计功能;结构也有可能在施工过程中因为失去平衡而发生倾覆,或者由于强度不足造成局部构件、节点的破坏,进而导致整个结构失去稳定而倒塌。钢结构建造领域/因施工方案设计不当而造成的事故时有发生,造成的人员伤亡和经济损失极大,如南京浦口区2007年7月31日发生的60m跨厂房钢屋盖安装将塌事故,就是因为安装过程中结构发生平面外失稳而整体坊塌造成的。
因此,设计人员在设计结构的过程中,不仅要重视结构在正常使用状态下的性能,还应该稍加考虑结构的施工安装方法和成型过程,确保结构能够正常施工安装,且成型后的结构能够满足各项设计指标。同样,施工方案设计人员也应该充分了解结构在设计状态下的各项性能指标,在满足工程质量、施工安全、工程进度和经济效益等要求的前提下,结合施工现场条件和设备机具等资源的可落实情况等因素,合理地选择结构成型及施工方法。特别地,对大跨度、高复杂度的钢结构,有必要对结构在施工过程中不同的工况状态进行跟踪分析,全面掌握结构在施工过程中各项性能指标的变化情况,动态地检查结构在安装过程中的安全性和可靠性。对某些重要结构,还可以通过试验的方法验证施工方案的可行性,为相关工程提供参考。大跨度钢结构常用的安装方法见表1：
表1 大跨度钢结构常用安装方法
随着大跨度钢结构工程规模的日趋大型化、复杂化,安装方法也有很大的发展,大量的创新技术不断涌现,如上海旗忠森林网球中心钢屋盖釆用的曲线顶推安装技术、河南南阳鸭河口电厂某煤棚网架采用的折叠展开提升安装技术、矩阵式整体累积顶推安装技术等，同时施工方法也在朝着集成化方向发展,多种不同的安装方法在一个大型工程中被组合应用,如上海浦东国际机场二期航站楼钢屋盖安装工程中就组合运用了整体吊装、滑移、提升等多种安装方法。
无论在单一安装法施工中,还是组合安装法施工中,整体吊装技术均可以最大限度地满足其他工种的交叉施工要求,节约施工工期;减少临时支撑的使用,节约措施周转,节约成本和资源;高空作业量少,作业更安全:施工辅助设备少,噪声低,具有良好的社会和环境效益。随着近年来工程起重机械行业的蓬勃发展,各种大吨位、特大吨位起重机相继投入使用,使得整体吊装技术得以充分发挥其优点,因而日益受到设计人员的青睐。
三、结束语
综上所述，对于大跨度钢结构,如何选择合理的结构形式,使其具有良好的抗震、抗风及整体稳定性能,从而保证其安全、经济、合理,在实际设计中具有重要的意义。随着设计理论更加科学、完善,设计手段更加先进,新材料新工艺的不断涌现,新的结构形式将会层出不穷,对大跨度钢屋盖方案的分析将会更加全面、合理,为制定出更能满足建筑造型需要的结构形式,结构受力最为合理、施工最为可行的结构方案提供更强的技术支持。
参考文献
[1] 杨桢：《我国大跨空间钢结构应用发展的主要特点》，《林业科技情报》，2006年04期
[2] 范重 彭翼 王喆 钱稼茹 赵作周：《国家体育场主结构扭曲箱形构件设计
研究》，《建筑结构学报》，2007年02期
[3] 葛家琪 王树 张国军 李健 侯君坚：《东北师范大学体育馆体内预应力大跨度钢管桁架结构设计研究》，《建筑结构》，2009年10期
[4] 刘鑫刚 葛家琪 张国军 王树 王耀峰 赵雅：《承受弯矩大直径空间相贯节点足尺模型试验与设计研究》，《建筑结构》，2010年12期