钢结构大跨度设计与施工

梁卫祖

摘 要：在新时代的背景之下，对于结构物的大跨径的施工方式也越来越多，下面我们就具体的工程实例作为模本，来讨论钢结构大跨度的设计和施工方案选择。

关键词：钢结构；大跨度；抗震

1 工程概况

工程建设地点为江门市体育中心位于江门滨江新城启动区，新南路与天沙河路的交汇处，用地面积 40 公顷。由体育场、游泳馆、体育会展中心等组成。其中体育场为甲级中型体育场，座席25518 个，建筑面积 46910m2，体育场西看台屋盖钢结构顶高度为 53.924m，最大跨度（理论跨度）为 264.44m。

根据野外钻探揭露情况，该场地自上而下分别为人工填土层 Q4ml、海陆交互相沉积层Q4mc、冲积-洪积砂层 Q4al及基岩：

1.1 人工填土层（Q4ml）

场地内人工填土层主要为素填土，局部为杂填土，颜色主要为灰褐色、红褐色、灰色等，素填土的组成物主要为人工堆填的粉质粘土、碎块石及少量砂土等，杂填土则含有砖块、砼块等建筑垃圾，大部分呈松散、欠压实状，局部压实。部分钻孔表层土为耕植土。本层在陆地钻孔中分布广泛，直接出露于地表，本次勘察在 83 个孔中均有揭露。揭露地层层顶标高为-0.19～4.55m，顶面埋深为 0.00m，厚度为 0.70～4.20m，平均厚度 2.26m。实测标贯击数 N=2～9 击，实测平均 6.8 击。

1.2 海陆交互相沉积层（Q4mc）

淤泥层：呈深灰～灰黑色，局部地段含少量粉细砂，很湿，流塑状，含有腐殖质，有臭味，局部夹薄层淤泥质土。含少量有机质。本层分布广泛，本次勘察在 187 个钻孔有揭露，层顶标高为-2.84～3.17m，顶面埋深为 0.00～4.20m，厚度为 1.00～20.50m，平均厚度 7.02m。实测标贯击数 N=1～3 击，实测平均 1.9 击。

2 大跨度设计结构特点

根据建筑功能特点，本工程下部结构采用钢筋混凝土框架结构形式，一般可以满足竖向承载能力和水平承载能力的要求；上部大跨度结构采用钢结构的形式，钢屋盖主要承受竖向荷载和风荷载。体育场西看台屋盖钢结构由拱桁架、桁架梁以及由拱架向两侧悬挑的飘蓬组成。拱桁架横截面为倒三角形，两端拱脚支撑于地面，拱脚之间理论跨度约 260m（包含了混凝土支座的尺度），拱顶至地面矢高 50m，拱架平面与水平面夹角 47 度，拱顶向场外倾斜，通过设置拱支撑杆支承于屋面桁架梁上，拱桁架由圆钢管构成。

屋盖桁架梁一端与下部混凝土外侧边缘柱子铰接，另一端与拱架下弦钢管铰接。屋盖桁架梁为压弯构件，采用倒三角形空间管桁架形式。为保证屋盖的整体刚度在桁架梁中间设置斜撑杆，并在跨中和端部设置稳定桁架。

3 大跨径结构抗震要求

为保证结构在地震作用下的安全，本工程的抗震性能目标选定为 B，各地震水准下的抗震性能水准要求及实现抗震性能目标的具体要求如下所示：

3.1 在多遇地震作用下，结构构件的承载力要求达到结构抗震性能水准，即构件完好、无损坏，按常规设计，满足弹性设计要求。当然，也要满足非地震组合作用下的各种性能要求。

3.2 在设防烈度地震作用下，结构构件的承载力要求达到结构抗震性能水准，即构件基本完成好、轻微损坏。关键构件及普通竖向构件的抗震承载力宜符合《高规》（1）的规定；耗能构件的受剪承载力宜符合《高规》（1）的规定，其正截面承载力应符合《高规》（2）的规定。在本工程中，屋盖钢结构构件的抗震承载力按《高规》（2）式进行复核，即构件承载力按不计入风荷载效应的地震作用效应设计值复核。地震作用设计参数按规范采用。

竖向荷载作用下的结构构件的结构重要性系数为 γ=1.1，Q345材的强度设计值 f=310MPa，即构件应力只要小于 310/1.1 =281.8Mpa 就能满足规范要求。分析结果显示，所有构件的强度满足规范关于强度的要求，极少数构件如屋面桁架梁与桁架拱以及混凝土看台柱连接部位的桁架弦杆应力较大。

4 大跨径钢结构施工技术简析

对于大跨径的钢结构在施工中的方案不能完全的依照普通的钢结构施工要求进行，相关的细部施工有特别的施工要求。就以大跨径构件的吊装和安放作为实例进行介绍。

根据风洞试验报告提供的数据对屋盖钢结构进行风荷载作用下的分析，风洞试验报告提供了7 个较不利风向下结构等效静风荷载，体育场西看台屋盖钢结构的最大位移为 w=141.5mm，可见风荷载对屋盖钢结构的影响是比较大的。所有构件的强度满足规范承载力要求，也必须使用大跨径的构件。

对于大跨度构件的制作前要考虑到构件因尺寸较大，摆放的地点受到限制，所以选好安放地址十分的重要，同时要考虑到后期的吊装方便，大型机械车辆进场的方便。立体桁架由两片平面桁架中间用上下水平支撑连为一体。制作时制定了切实可行的工艺措施，以保证施工过程的顺利进行和制造质量符合要求。在H 型钢的坡口加工、整体组装和焊接方面要加强质量控制。

对于材料的焊接是一项较为困难的任务。首先要检测焊接设备是否处于安全可工作的状态，仪表的鉴定是否都在使用的时间区间中。合理的安排有焊接上岗证的技师根据设计要求进行作业。焊条采用专人进行烘焙和发放，焊接完成后对每条焊缝做好相应原始记录（内容包括焊缝位置、编号、施焊时间人员等），确保主结构的焊缝质量。结构变形和焊接应力控制，测量监控。焊接质量检查包括外观和无损检测，外观检查。监理全程见证，并及时通知第三方检测对于板厚较大的钢柱采用防止层状撕裂的焊接构造形式，同时在焊接过程中注意焊接预热和焊后保温，进而满足焊缝后热处理的要求，确保大跨度施工技术的质量保证。

5 结语

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中第五章“超限大跨空间结构的审查”的相关规定，“应进行施工安装过程中的内力分析。地震作用及使用阶段的结构内力组合，应以施工全过程完成后的静载内力为初始状态”。参照类似项目的施工组织设计，本工程采用计算功能对整体结构进行了初步的分析。

本工程跨度较大，经过上述计算分析可见，整体结构在竖向荷载、风荷载、温度作用以地震作用下都能满足承载力和刚度的要求。预估性能目标与实际达到的性能目标如下表所示。

在重力荷载下考虑几何非线性和材料非线性的稳定分析能满足规范的要求；经过施工模拟分析验证了结构在施工安装过程中的安全性；通过考虑不同拱脚支座刚度及支座沉降对整体结构的影响，为保障结构整体安全对拱脚混凝土支座刚度提出设计要求；并对结构进行重力荷载下的抗连续倒塌分析，结果显示结构在某些关键构件失效后具有足够的抗连续倒塌的能力。

综上，整个结构体系能够满足相应规范的要求，在采取必要的结构措施后，可以保证整个结构体系的安全。

参考文献

[1] 《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）.

[2] 《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008）.

[3] 《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）.

[4] 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）.

[5] 《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）.

摘 要：在新时代的背景之下，对于结构物的大跨径的施工方式也越来越多，下面我们就具体的工程实例作为模本，来讨论钢结构大跨度的设计和施工方案选择。

关键词：钢结构；大跨度；抗震

1 工程概况

工程建设地点为江门市体育中心位于江门滨江新城启动区，新南路与天沙河路的交汇处，用地面积 40 公顷。由体育场、游泳馆、体育会展中心等组成。其中体育场为甲级中型体育场，座席25518 个，建筑面积 46910m2，体育场西看台屋盖钢结构顶高度为 53.924m，最大跨度（理论跨度）为 264.44m。

根据野外钻探揭露情况，该场地自上而下分别为人工填土层 Q4ml、海陆交互相沉积层Q4mc、冲积-洪积砂层 Q4al及基岩：

1.1 人工填土层（Q4ml）

场地内人工填土层主要为素填土，局部为杂填土，颜色主要为灰褐色、红褐色、灰色等，素填土的组成物主要为人工堆填的粉质粘土、碎块石及少量砂土等，杂填土则含有砖块、砼块等建筑垃圾，大部分呈松散、欠压实状，局部压实。部分钻孔表层土为耕植土。本层在陆地钻孔中分布广泛，直接出露于地表，本次勘察在 83 个孔中均有揭露。揭露地层层顶标高为-0.19～4.55m，顶面埋深为 0.00m，厚度为 0.70～4.20m，平均厚度 2.26m。实测标贯击数 N=2～9 击，实测平均 6.8 击。

1.2 海陆交互相沉积层（Q4mc）

淤泥层：呈深灰～灰黑色，局部地段含少量粉细砂，很湿，流塑状，含有腐殖质，有臭味，局部夹薄层淤泥质土。含少量有机质。本层分布广泛，本次勘察在 187 个钻孔有揭露，层顶标高为-2.84～3.17m，顶面埋深为 0.00～4.20m，厚度为 1.00～20.50m，平均厚度 7.02m。实测标贯击数 N=1～3 击，实测平均 1.9 击。

2 大跨度设计结构特点

根据建筑功能特点，本工程下部结构采用钢筋混凝土框架结构形式，一般可以满足竖向承载能力和水平承载能力的要求；上部大跨度结构采用钢结构的形式，钢屋盖主要承受竖向荷载和风荷载。体育场西看台屋盖钢结构由拱桁架、桁架梁以及由拱架向两侧悬挑的飘蓬组成。拱桁架横截面为倒三角形，两端拱脚支撑于地面，拱脚之间理论跨度约 260m（包含了混凝土支座的尺度），拱顶至地面矢高 50m，拱架平面与水平面夹角 47 度，拱顶向场外倾斜，通过设置拱支撑杆支承于屋面桁架梁上，拱桁架由圆钢管构成。

屋盖桁架梁一端与下部混凝土外侧边缘柱子铰接，另一端与拱架下弦钢管铰接。屋盖桁架梁为压弯构件，采用倒三角形空间管桁架形式。为保证屋盖的整体刚度在桁架梁中间设置斜撑杆，并在跨中和端部设置稳定桁架。

3 大跨径结构抗震要求

为保证结构在地震作用下的安全，本工程的抗震性能目标选定为 B，各地震水准下的抗震性能水准要求及实现抗震性能目标的具体要求如下所示：

3.1 在多遇地震作用下，结构构件的承载力要求达到结构抗震性能水准，即构件完好、无损坏，按常规设计，满足弹性设计要求。当然，也要满足非地震组合作用下的各种性能要求。

3.2 在设防烈度地震作用下，结构构件的承载力要求达到结构抗震性能水准，即构件基本完成好、轻微损坏。关键构件及普通竖向构件的抗震承载力宜符合《高规》（1）的规定；耗能构件的受剪承载力宜符合《高规》（1）的规定，其正截面承载力应符合《高规》（2）的规定。在本工程中，屋盖钢结构构件的抗震承载力按《高规》（2）式进行复核，即构件承载力按不计入风荷载效应的地震作用效应设计值复核。地震作用设计参数按规范采用。

竖向荷载作用下的结构构件的结构重要性系数为 γ=1.1，Q345材的强度设计值 f=310MPa，即构件应力只要小于 310/1.1 =281.8Mpa 就能满足规范要求。分析结果显示，所有构件的强度满足规范关于强度的要求，极少数构件如屋面桁架梁与桁架拱以及混凝土看台柱连接部位的桁架弦杆应力较大。

4 大跨径钢结构施工技术简析

对于大跨径的钢结构在施工中的方案不能完全的依照普通的钢结构施工要求进行，相关的细部施工有特别的施工要求。就以大跨径构件的吊装和安放作为实例进行介绍。

根据风洞试验报告提供的数据对屋盖钢结构进行风荷载作用下的分析，风洞试验报告提供了7 个较不利风向下结构等效静风荷载，体育场西看台屋盖钢结构的最大位移为 w=141.5mm，可见风荷载对屋盖钢结构的影响是比较大的。所有构件的强度满足规范承载力要求，也必须使用大跨径的构件。

对于大跨度构件的制作前要考虑到构件因尺寸较大，摆放的地点受到限制，所以选好安放地址十分的重要，同时要考虑到后期的吊装方便，大型机械车辆进场的方便。立体桁架由两片平面桁架中间用上下水平支撑连为一体。制作时制定了切实可行的工艺措施，以保证施工过程的顺利进行和制造质量符合要求。在H 型钢的坡口加工、整体组装和焊接方面要加强质量控制。

对于材料的焊接是一项较为困难的任务。首先要检测焊接设备是否处于安全可工作的状态，仪表的鉴定是否都在使用的时间区间中。合理的安排有焊接上岗证的技师根据设计要求进行作业。焊条采用专人进行烘焙和发放，焊接完成后对每条焊缝做好相应原始记录（内容包括焊缝位置、编号、施焊时间人员等），确保主结构的焊缝质量。结构变形和焊接应力控制，测量监控。焊接质量检查包括外观和无损检测，外观检查。监理全程见证，并及时通知第三方检测对于板厚较大的钢柱采用防止层状撕裂的焊接构造形式，同时在焊接过程中注意焊接预热和焊后保温，进而满足焊缝后热处理的要求，确保大跨度施工技术的质量保证。

5 结语

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中第五章“超限大跨空间结构的审查”的相关规定，“应进行施工安装过程中的内力分析。地震作用及使用阶段的结构内力组合，应以施工全过程完成后的静载内力为初始状态”。参照类似项目的施工组织设计，本工程采用计算功能对整体结构进行了初步的分析。

本工程跨度较大，经过上述计算分析可见，整体结构在竖向荷载、风荷载、温度作用以地震作用下都能满足承载力和刚度的要求。预估性能目标与实际达到的性能目标如下表所示。

在重力荷载下考虑几何非线性和材料非线性的稳定分析能满足规范的要求；经过施工模拟分析验证了结构在施工安装过程中的安全性；通过考虑不同拱脚支座刚度及支座沉降对整体结构的影响，为保障结构整体安全对拱脚混凝土支座刚度提出设计要求；并对结构进行重力荷载下的抗连续倒塌分析，结果显示结构在某些关键构件失效后具有足够的抗连续倒塌的能力。

综上，整个结构体系能够满足相应规范的要求，在采取必要的结构措施后，可以保证整个结构体系的安全。

参考文献

[1] 《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）.

[2] 《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008）.

[3] 《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）.

[4] 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）.

[5] 《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）.

摘 要：在新时代的背景之下，对于结构物的大跨径的施工方式也越来越多，下面我们就具体的工程实例作为模本，来讨论钢结构大跨度的设计和施工方案选择。

关键词：钢结构；大跨度；抗震

1 工程概况

工程建设地点为江门市体育中心位于江门滨江新城启动区，新南路与天沙河路的交汇处，用地面积 40 公顷。由体育场、游泳馆、体育会展中心等组成。其中体育场为甲级中型体育场，座席25518 个，建筑面积 46910m2，体育场西看台屋盖钢结构顶高度为 53.924m，最大跨度（理论跨度）为 264.44m。

根据野外钻探揭露情况，该场地自上而下分别为人工填土层 Q4ml、海陆交互相沉积层Q4mc、冲积-洪积砂层 Q4al及基岩：

1.1 人工填土层（Q4ml）

场地内人工填土层主要为素填土，局部为杂填土，颜色主要为灰褐色、红褐色、灰色等，素填土的组成物主要为人工堆填的粉质粘土、碎块石及少量砂土等，杂填土则含有砖块、砼块等建筑垃圾，大部分呈松散、欠压实状，局部压实。部分钻孔表层土为耕植土。本层在陆地钻孔中分布广泛，直接出露于地表，本次勘察在 83 个孔中均有揭露。揭露地层层顶标高为-0.19～4.55m，顶面埋深为 0.00m，厚度为 0.70～4.20m，平均厚度 2.26m。实测标贯击数 N=2～9 击，实测平均 6.8 击。

1.2 海陆交互相沉积层（Q4mc）

淤泥层：呈深灰～灰黑色，局部地段含少量粉细砂，很湿，流塑状，含有腐殖质，有臭味，局部夹薄层淤泥质土。含少量有机质。本层分布广泛，本次勘察在 187 个钻孔有揭露，层顶标高为-2.84～3.17m，顶面埋深为 0.00～4.20m，厚度为 1.00～20.50m，平均厚度 7.02m。实测标贯击数 N=1～3 击，实测平均 1.9 击。

2 大跨度设计结构特点

根据建筑功能特点，本工程下部结构采用钢筋混凝土框架结构形式，一般可以满足竖向承载能力和水平承载能力的要求；上部大跨度结构采用钢结构的形式，钢屋盖主要承受竖向荷载和风荷载。体育场西看台屋盖钢结构由拱桁架、桁架梁以及由拱架向两侧悬挑的飘蓬组成。拱桁架横截面为倒三角形，两端拱脚支撑于地面，拱脚之间理论跨度约 260m（包含了混凝土支座的尺度），拱顶至地面矢高 50m，拱架平面与水平面夹角 47 度，拱顶向场外倾斜，通过设置拱支撑杆支承于屋面桁架梁上，拱桁架由圆钢管构成。

屋盖桁架梁一端与下部混凝土外侧边缘柱子铰接，另一端与拱架下弦钢管铰接。屋盖桁架梁为压弯构件，采用倒三角形空间管桁架形式。为保证屋盖的整体刚度在桁架梁中间设置斜撑杆，并在跨中和端部设置稳定桁架。

3 大跨径结构抗震要求

为保证结构在地震作用下的安全，本工程的抗震性能目标选定为 B，各地震水准下的抗震性能水准要求及实现抗震性能目标的具体要求如下所示：

3.1 在多遇地震作用下，结构构件的承载力要求达到结构抗震性能水准，即构件完好、无损坏，按常规设计，满足弹性设计要求。当然，也要满足非地震组合作用下的各种性能要求。

3.2 在设防烈度地震作用下，结构构件的承载力要求达到结构抗震性能水准，即构件基本完成好、轻微损坏。关键构件及普通竖向构件的抗震承载力宜符合《高规》（1）的规定；耗能构件的受剪承载力宜符合《高规》（1）的规定，其正截面承载力应符合《高规》（2）的规定。在本工程中，屋盖钢结构构件的抗震承载力按《高规》（2）式进行复核，即构件承载力按不计入风荷载效应的地震作用效应设计值复核。地震作用设计参数按规范采用。

竖向荷载作用下的结构构件的结构重要性系数为 γ=1.1，Q345材的强度设计值 f=310MPa，即构件应力只要小于 310/1.1 =281.8Mpa 就能满足规范要求。分析结果显示，所有构件的强度满足规范关于强度的要求，极少数构件如屋面桁架梁与桁架拱以及混凝土看台柱连接部位的桁架弦杆应力较大。

4 大跨径钢结构施工技术简析

对于大跨径的钢结构在施工中的方案不能完全的依照普通的钢结构施工要求进行，相关的细部施工有特别的施工要求。就以大跨径构件的吊装和安放作为实例进行介绍。

根据风洞试验报告提供的数据对屋盖钢结构进行风荷载作用下的分析，风洞试验报告提供了7 个较不利风向下结构等效静风荷载，体育场西看台屋盖钢结构的最大位移为 w=141.5mm，可见风荷载对屋盖钢结构的影响是比较大的。所有构件的强度满足规范承载力要求，也必须使用大跨径的构件。

对于大跨度构件的制作前要考虑到构件因尺寸较大，摆放的地点受到限制，所以选好安放地址十分的重要，同时要考虑到后期的吊装方便，大型机械车辆进场的方便。立体桁架由两片平面桁架中间用上下水平支撑连为一体。制作时制定了切实可行的工艺措施，以保证施工过程的顺利进行和制造质量符合要求。在H 型钢的坡口加工、整体组装和焊接方面要加强质量控制。

对于材料的焊接是一项较为困难的任务。首先要检测焊接设备是否处于安全可工作的状态，仪表的鉴定是否都在使用的时间区间中。合理的安排有焊接上岗证的技师根据设计要求进行作业。焊条采用专人进行烘焙和发放，焊接完成后对每条焊缝做好相应原始记录（内容包括焊缝位置、编号、施焊时间人员等），确保主结构的焊缝质量。结构变形和焊接应力控制，测量监控。焊接质量检查包括外观和无损检测，外观检查。监理全程见证，并及时通知第三方检测对于板厚较大的钢柱采用防止层状撕裂的焊接构造形式，同时在焊接过程中注意焊接预热和焊后保温，进而满足焊缝后热处理的要求，确保大跨度施工技术的质量保证。

5 结语

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中第五章“超限大跨空间结构的审查”的相关规定，“应进行施工安装过程中的内力分析。地震作用及使用阶段的结构内力组合，应以施工全过程完成后的静载内力为初始状态”。参照类似项目的施工组织设计，本工程采用计算功能对整体结构进行了初步的分析。

本工程跨度较大，经过上述计算分析可见，整体结构在竖向荷载、风荷载、温度作用以地震作用下都能满足承载力和刚度的要求。预估性能目标与实际达到的性能目标如下表所示。

在重力荷载下考虑几何非线性和材料非线性的稳定分析能满足规范的要求；经过施工模拟分析验证了结构在施工安装过程中的安全性；通过考虑不同拱脚支座刚度及支座沉降对整体结构的影响，为保障结构整体安全对拱脚混凝土支座刚度提出设计要求；并对结构进行重力荷载下的抗连续倒塌分析，结果显示结构在某些关键构件失效后具有足够的抗连续倒塌的能力。

综上，整个结构体系能够满足相应规范的要求，在采取必要的结构措施后，可以保证整个结构体系的安全。

参考文献

[1] 《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）.

[2] 《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008）.

[3] 《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）.

[4] 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）.

[5] 《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）.