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摘要：大跨度空间结构体系在我国迅猛发展，给结构设计和施工提出了新的课题，传统的施工工艺已逐渐无法满足施工的需要，新的施工工艺、设备、技术也就应运而生。
关键词：大跨度钢结构设计施工
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
与其他材料的结构相比，钢结构具有材料强度高、结构重量轻；结构的塑性韧性较好；钢结构的制造简单施工周期短等优点。我们在进行钢结构设计时，应当从工程实际出发，合理选用钢材，选择高强度、具有较好经济指标的钢材；在结构方案选择上，应尽可能采用标准化、模数化的结构布置；在连接设计中，应选用构造简单、传力直接的节点形式，并应满足构造要求；另外，在钢结构设计中，还应保证钢结构在加工、运输、安装和使用过程中的强度、刚度和稳定性要求，并应针对钢结构的实际，满足防火、防腐的要求。宜优先选用通用的和标准化的结构和构件，减少制作、安装工作量。
一、大跨度钢结构样式
大跨度钢结构按刚性差异以及它们的组合不同，分成三类：刚性结构、柔性结构和杂交结构。杂交结构既可通过刚性结构和柔性结构的有机组合获得，也可通过变更传统结构的特性得到。在此我们主要讨论刚性大跨度和柔性大跨度结构。
（一）刚性大跨度结构
刚性大跨度钢结构主要是指由钢杆件或钢梁、钢柑架组成的结构，且其刚度由结构的组成和构件自身的刚度形成。当结构由规则的空间单元组成时，称为空间网格结构，否则称为空间结构。空间网格结构主要有网架结构、网壳结构、组合网架结构及预应力网架结构等形式，一般由钢杆件组成。具有受力合理、结构整体性强、刚度大、抗震性能优、、造价经济、适应性强等优点。空间结构一般由钢梁或钢析架组成，在跨度较大时还辅以预拉力索以增加结构刚度、减少用钢量。空间结构除了有与空间网格结构相同的优点外，还具有结构体系简洁、更易体现建筑造型等优点。但与空间网格结构相比，构件和节点类型一般较多，制作较为不便。
（二）柔性大跨度结构
柔性大跨度结构的受力体系可分为竖直平面、水平层面及空间三大类。其中，张力弦屋架、预张力索衍架体系属于 竖直平面受力体系；单层预张力索网体系和张力膜结构体系属于水平层面受力体系；空间预张力索网格体系、索弯顶和张拉集成体系属于空间受力体系。
二、大跨度钢结构的设计要点
大跨度钢结构主要按照荷载类型进行设计，其荷载主要分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载。对于永久荷载，应采用标准值作为代表值。对于可变荷载，应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。对于偶然荷载，应按照建筑结构使用的特点确定其代表值。
（一）永久荷载
对大跨度钢结构，永久荷载主要包括屋盖结构自重和屋面覆盖材料自重。屋盖结构的自重计算可采用经验公式或 由计算机自动完成，在有擦体系中，还应计入擦条的自重 。屋面覆盖材料自重主要是指屋面板、屋面保温层、找坡层及防水层等的自重。若有吊顶等装修构造或设备管道，按实际情况采用。
（二）可变荷载
作用在大跨度钢结构上的可变荷载有以下几种。
(1)屋面活荷载。屋面均布活荷载一般按屋面的水平投影面计算。对于大跨度钢结构，不上人屋面，屋面均布活荷载标准值采用0.5kN／m2，但当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用，或在施工中采取特殊措施；上人屋面，屋面均布活荷载标准值采用2.0kN／m2。
(2)雪荷载。屋面雪荷载的大小主要与屋面的几何形状、朝向和风向等有关。大多数情况下，屋面雪荷载小于基本雪压。这是因为雪可从坡度较大的曲面屋顶滑落，风可将松散的雪从平屋顶刮下，有时雪还可能被屋顶外皮的散热所融化。然而，有时也会产生积雪，如双坡屋面的背风一侧、双跨或多跨曲面屋顶的交接处等。此时必须考虑采用较大的雪荷载。
(3)温度作用。大跨度钢结构在因温度变化而出现温差时，由于杆件不能自由变形，会在杆件中产生应力，即温度应力。温差的大小与结构合拢时的温度与当地年最高或最低气温相关，在设计中应考虑。关于温度应力的计算原则按空间结构的相关规程执行。
(4)支座位移。大跨度钢结构由于位移的不均匀沉降而 引起结构杆件内附加应力。
（三）偶然荷载
在大跨度钢结构分析中，偶然荷载主要是指地震作用。 地震作用是建筑物因地面运动而产生的一种惯性作用，属于动力作用。它的大小既与结构的固有振动特性有关，又与地面运动的特性有关。地震作用与风荷载的区别在于：①地震作用完全属于动力作用，而风荷载具有静力和动力作用的双重特點。②地震作用与建筑物的重量直接相关，重量越大，地震作用也越大；而风荷载主要与体型和开洞情况关系较 大。③建筑物的自振周期越长，对承受地震作用越有利，而对承受风荷载却是很不利的。地震作用包括水平地震作用和竖向地震作用两类。一般情况下，应在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用，对于8度和9度区，还应计算大跨度房屋钢结构的竖向地震的作用。
大跨度钢结构的地震作用一般可采用振型分解反应谱法计算；对于某些规则的网架和网壳结构还可采用简化计算方法；对特别重要或体型特别复杂的空间结构，应采用时程分析法进行补充计算。
三、大跨度钢结构施工关键技术
大跨度钢结构的施工技术，一般主要包含安装技术及卸载技术(若有临时支承)，这里主要谈谈安装技术。根据结构受力和构造特点(包括结构形式、刚度分布、支承形式等)，在满足质量、安全、进度及经济效益的前提下，应结合现场施工条件和设备机具等资源落实情况等因素综合确定安装方案。常用的安装方法主要有：高空原位单元安装法、整体提升法、滑移安装法、大悬挑钢结构无支承安装法等。
（一）高空原位单元安装法：是由“高空原位散装法”演变而来。所谓“散装法”一般是指将构(杆)件直接在设计位置进行安装的一种方法。采用该法安装时，需搭设满堂支承，以提供构件高空搁置及工人的操作平台。由于单件的重量较轻，此法可有效降低起重设备的起重要求。原则上，“散装法”可用于任意大跨度钢结构的安装，但大规模的支承体系需用大量支承材料，且支承搭设时间长，高空作业多，工期跨度大，占用大量建筑物内场地。因此“散装法”多应用在跨度不大、工期要求不紧的网架、网壳等空间结构。
单元安装法则是把结构进行合理分块，然后将这些分块单元吊装至设计位置安装，与“散装法”相比，“单元安装法”虽然也是将结构在原位进行安装，但大部分的焊接和拼接工作在工厂或地面完成，有利于提高工程质量，减少高空作业量，加快施工进度，并且所需临时支承相对较少，措施成本也得到降低。
（二）滑移安装法一般又可分两种：结构滑移法、支承滑移法。以下分别介绍两种方法的施工特点。
结构滑移法：其基本思路是将结构整体(或局部)先在具备拼装条件的场地组装成型，再利用滑移系统整体移位至设计位置的一种安装方法。采用这种安装技术，拼装场地和组装用机械设备可集中于一块相对固定的场地，与原位安装法相比，可减少临时支承与操作平台的措施用量，节约场地处理和管理成本。
支承滑移法：支承滑移法是在结构的设计集团搭设支承架，以给结构在原位安装提供支承和操作平台，待该部分结构安装完成后，支承滑移即与已装毕的结构脱离。这样即为相邻结构的原位安装创造了条件，如此循环，直至结构完成整体安装。由此，与结构滑移法不同，支承滑移法可总结为“结构不滑而支承机构滑”，而结构滑移法则是“结构滑而支承机构不滑”。
（三）大跨度悬挑钢结构无支承安装法：所谓大跨度悬挑钢结构无支承安装法，即是在不搭设支承机构的条件下，以悬挑钢结构本体的刚度为依托，利用吊装机械进行高空散件安装，采用逐步延伸、阶段安装的方式进行施工。
关键词：大跨度钢结构设计施工
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
与其他材料的结构相比，钢结构具有材料强度高、结构重量轻；结构的塑性韧性较好；钢结构的制造简单施工周期短等优点。我们在进行钢结构设计时，应当从工程实际出发，合理选用钢材，选择高强度、具有较好经济指标的钢材；在结构方案选择上，应尽可能采用标准化、模数化的结构布置；在连接设计中，应选用构造简单、传力直接的节点形式，并应满足构造要求；另外，在钢结构设计中，还应保证钢结构在加工、运输、安装和使用过程中的强度、刚度和稳定性要求，并应针对钢结构的实际，满足防火、防腐的要求。宜优先选用通用的和标准化的结构和构件，减少制作、安装工作量。
一、大跨度钢结构样式
大跨度钢结构按刚性差异以及它们的组合不同，分成三类：刚性结构、柔性结构和杂交结构。杂交结构既可通过刚性结构和柔性结构的有机组合获得，也可通过变更传统结构的特性得到。在此我们主要讨论刚性大跨度和柔性大跨度结构。
（一）刚性大跨度结构
刚性大跨度钢结构主要是指由钢杆件或钢梁、钢柑架组成的结构，且其刚度由结构的组成和构件自身的刚度形成。当结构由规则的空间单元组成时，称为空间网格结构，否则称为空间结构。空间网格结构主要有网架结构、网壳结构、组合网架结构及预应力网架结构等形式，一般由钢杆件组成。具有受力合理、结构整体性强、刚度大、抗震性能优、、造价经济、适应性强等优点。空间结构一般由钢梁或钢析架组成，在跨度较大时还辅以预拉力索以增加结构刚度、减少用钢量。空间结构除了有与空间网格结构相同的优点外，还具有结构体系简洁、更易体现建筑造型等优点。但与空间网格结构相比，构件和节点类型一般较多，制作较为不便。
（二）柔性大跨度结构
柔性大跨度结构的受力体系可分为竖直平面、水平层面及空间三大类。其中，张力弦屋架、预张力索衍架体系属于 竖直平面受力体系；单层预张力索网体系和张力膜结构体系属于水平层面受力体系；空间预张力索网格体系、索弯顶和张拉集成体系属于空间受力体系。
二、大跨度钢结构的设计要点
大跨度钢结构主要按照荷载类型进行设计，其荷载主要分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载。对于永久荷载，应采用标准值作为代表值。对于可变荷载，应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。对于偶然荷载，应按照建筑结构使用的特点确定其代表值。
（一）永久荷载
对大跨度钢结构，永久荷载主要包括屋盖结构自重和屋面覆盖材料自重。屋盖结构的自重计算可采用经验公式或 由计算机自动完成，在有擦体系中，还应计入擦条的自重 。屋面覆盖材料自重主要是指屋面板、屋面保温层、找坡层及防水层等的自重。若有吊顶等装修构造或设备管道，按实际情况采用。
（二）可变荷载
作用在大跨度钢结构上的可变荷载有以下几种。
(1)屋面活荷载。屋面均布活荷载一般按屋面的水平投影面计算。对于大跨度钢结构，不上人屋面，屋面均布活荷载标准值采用0.5kN／m2，但当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用，或在施工中采取特殊措施；上人屋面，屋面均布活荷载标准值采用2.0kN／m2。
(2)雪荷载。屋面雪荷载的大小主要与屋面的几何形状、朝向和风向等有关。大多数情况下，屋面雪荷载小于基本雪压。这是因为雪可从坡度较大的曲面屋顶滑落，风可将松散的雪从平屋顶刮下，有时雪还可能被屋顶外皮的散热所融化。然而，有时也会产生积雪，如双坡屋面的背风一侧、双跨或多跨曲面屋顶的交接处等。此时必须考虑采用较大的雪荷载。
(3)温度作用。大跨度钢结构在因温度变化而出现温差时，由于杆件不能自由变形，会在杆件中产生应力，即温度应力。温差的大小与结构合拢时的温度与当地年最高或最低气温相关，在设计中应考虑。关于温度应力的计算原则按空间结构的相关规程执行。
(4)支座位移。大跨度钢结构由于位移的不均匀沉降而 引起结构杆件内附加应力。
（三）偶然荷载
在大跨度钢结构分析中，偶然荷载主要是指地震作用。 地震作用是建筑物因地面运动而产生的一种惯性作用，属于动力作用。它的大小既与结构的固有振动特性有关，又与地面运动的特性有关。地震作用与风荷载的区别在于：①地震作用完全属于动力作用，而风荷载具有静力和动力作用的双重特點。②地震作用与建筑物的重量直接相关，重量越大，地震作用也越大；而风荷载主要与体型和开洞情况关系较 大。③建筑物的自振周期越长，对承受地震作用越有利，而对承受风荷载却是很不利的。地震作用包括水平地震作用和竖向地震作用两类。一般情况下，应在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用，对于8度和9度区，还应计算大跨度房屋钢结构的竖向地震的作用。
大跨度钢结构的地震作用一般可采用振型分解反应谱法计算；对于某些规则的网架和网壳结构还可采用简化计算方法；对特别重要或体型特别复杂的空间结构，应采用时程分析法进行补充计算。
三、大跨度钢结构施工关键技术
大跨度钢结构的施工技术，一般主要包含安装技术及卸载技术(若有临时支承)，这里主要谈谈安装技术。根据结构受力和构造特点(包括结构形式、刚度分布、支承形式等)，在满足质量、安全、进度及经济效益的前提下，应结合现场施工条件和设备机具等资源落实情况等因素综合确定安装方案。常用的安装方法主要有：高空原位单元安装法、整体提升法、滑移安装法、大悬挑钢结构无支承安装法等。
（一）高空原位单元安装法：是由“高空原位散装法”演变而来。所谓“散装法”一般是指将构(杆)件直接在设计位置进行安装的一种方法。采用该法安装时，需搭设满堂支承，以提供构件高空搁置及工人的操作平台。由于单件的重量较轻，此法可有效降低起重设备的起重要求。原则上，“散装法”可用于任意大跨度钢结构的安装，但大规模的支承体系需用大量支承材料，且支承搭设时间长，高空作业多，工期跨度大，占用大量建筑物内场地。因此“散装法”多应用在跨度不大、工期要求不紧的网架、网壳等空间结构。
单元安装法则是把结构进行合理分块，然后将这些分块单元吊装至设计位置安装，与“散装法”相比，“单元安装法”虽然也是将结构在原位进行安装，但大部分的焊接和拼接工作在工厂或地面完成，有利于提高工程质量，减少高空作业量，加快施工进度，并且所需临时支承相对较少，措施成本也得到降低。
（二）滑移安装法一般又可分两种：结构滑移法、支承滑移法。以下分别介绍两种方法的施工特点。
结构滑移法：其基本思路是将结构整体(或局部)先在具备拼装条件的场地组装成型，再利用滑移系统整体移位至设计位置的一种安装方法。采用这种安装技术，拼装场地和组装用机械设备可集中于一块相对固定的场地，与原位安装法相比，可减少临时支承与操作平台的措施用量，节约场地处理和管理成本。
支承滑移法：支承滑移法是在结构的设计集团搭设支承架，以给结构在原位安装提供支承和操作平台，待该部分结构安装完成后，支承滑移即与已装毕的结构脱离。这样即为相邻结构的原位安装创造了条件，如此循环，直至结构完成整体安装。由此，与结构滑移法不同，支承滑移法可总结为“结构不滑而支承机构滑”，而结构滑移法则是“结构滑而支承机构不滑”。
（三）大跨度悬挑钢结构无支承安装法：所谓大跨度悬挑钢结构无支承安装法，即是在不搭设支承机构的条件下，以悬挑钢结构本体的刚度为依托，利用吊装机械进行高空散件安装，采用逐步延伸、阶段安装的方式进行施工。