关于超大跨度空间钢结构设计的研究

宗琳

0 前言

超大跨度空间钢结构设计在设计思路以及设计形式上与传统形式并无明显的差异性，大跨度钢结构主要注重设计中的荷载和可能产生的变形问题。这种结构对于整体材料要求也较高，节点所使用的材料对于整体结构的承载力性能和结构变形能力都有较为深远的影响。整体结构需要考虑系统受力，将空间结构作为一个整体去分析受力状况，以满足设计要求以及应用效果。

从目前国内外关于这种结构的研究上来看，主要研究系统的整体性能，寻找较为合理的工程学设计思路，抓住系统结构的整体性能计算核心方法，以完成既有的结构设计为主要目标，对整体钢结构进行严格的结构分析和计算，从模型中判断在不同的荷载情况下不同的钢结构的响应，从而能够判断超大跨度空间钢结构的整体性能，对于总体建筑设计进行评判。在超大跨度空间钢结构设计过程中，还需要重点考虑钢材料的延展性能，从钢材料截面开始，判断钢材料的受力的屈服点以及延展性能，主要的目的是保证空间钢结构体系没有超过其结构的整体承载能力，否则会产生变形，影响结构跨度整体安全。如果使用的钢材料总体性能较好，具有较强的延展性能，在工程施工以及后期运营过程中会展示出较强的抗形变功能，建筑钢结构构建在达到荷载的极限后也能够有效吸收耗损的能量，增强钢结构的整体稳定性，因此在超大跨度空间钢结构设计工程中必须重点控制钢材料的延展性。

1 设计中的重难点分析

1.1 变形设计

系统结构在设计过程中，由于钢结构系统的变形对荷载的影响，要使得其变形性能满足设计需要，同时钢结构体系也要满足弹性形变的要求，满足系统的弹性变形。系统构件除了要从整体上进行分析以外，还要学会拆分，每一个构件的受力都要符合标准，不能够超出杆件的承载力范围。为了使得杆件受力符合特性需要，也可对系统结构施加预应力的方法，使得材料满足弹性形变。对钢结构施加的预应力能够有效提升超大跨度空间钢结构的整体刚度，使其结构承载力满足性能要求，要有效降低整个钢结构体系的弹性形变和塑性形变，同时能够提升整体钢结构的抗变形能力。对于整体钢结构实施预应力能够进一步防止超大跨度空间钢结构出现破坏性的形变。

1.2 荷载设计

对于永久荷载来说，在超大跨度空间钢结构设计过程中，永久荷载主要包括屋面以及屋盖的质量。在屋面整体结构中，上部的覆盖物也要计算在内，主要包括屋面板以及保温板等。系统结构的荷载可以通过计算软件进行合成模拟，以找出最佳的荷载计算量以及最大的荷载承受能力。屋盖结构有时包括一些附属性的设施，包括附属的管道和设备等，都要计算在内。

上面主要阐述系统结构的永久荷载，另外一部分荷载来自于系统的活荷载，系统结构不同，所承担的活荷载也有很大的差异性，经过研究，主要包括以下几种活荷载：

①主要是屋面的活荷载。这种性质的活荷载需要考虑的因素是活荷载所占用的面积，一般在计算中都会近似将其视作分布较为均匀的活荷载，以简化计算过程。一般采用0.5kN/m2，如果在施工过程中遇到较大幅度的荷载，需要采用科学的计算方法。②雪荷载。系统结构的整体形状以及结构的朝向会影响雪荷载的大小。在一般情况下，钢结构屋面所承受的雪荷载一般小于全部雪压的重量，雪可以从曲面屋顶滑落，也有一部分雪被屋顶热融化。如果曲面屋顶出现积雪，应该重新计算结构的雪荷载。③风荷载，对于超大跨度空间钢结构设计，由于体积比较大，因此会阻碍空气的流动，空气在建筑物表面流动过程中会产生一定的吸引力。风荷载一般施加于建筑物的表面中，并且表现两种形式：a.动力；b.静力。稳定的风荷载一般估计为静力，其余被归结为动力部分。平均风荷载可以利用静力学方法进行计算，其余可以借助于动力学方法进行模拟运算。④偶然荷载。偶然荷载主要考虑系统结构在运营过程中在偶然条件下所面临的荷载，比如说地震过程中产生的荷载。如果系统钢结构在地震等强作用力条件下，会对整个结构产生较大的惯性作用力。这种惯性作用力与系统结构自身的特性有着比较大联系，计算规则也与系统自身的特性有关。经过研究发现，系统结构自身重量越大，受到的惯性作用力也就越大。这种系统产生的惯性作用力可以利用一些有限元软件进行模拟，以测试系统的真实抗震性能，形成网架结构，以简化整个系统的计算规则。

2 存在的问题及对策

2.1 存在的问题分析

大跨度的空间采用钢结构设计有着较多的优势，但是凡事都有两面性，钢材料自身也有着较多的局限性，钢材是使用较多的建筑材料，市场中钢材价格波动性也比较大。在系统结构中，使用的钢柱量和钢梁量数目都较为可观，并且在系统钢结构中还要涂抹大量的防火涂料，这就间接增加了系统结构的成本。在实际设计中并没有对整体参数进行研究，可能会带来一系列安全隐患，因此在超大跨度钢结构设计中，应该对参数进行细致的研究，正确认识其中的内力变化，提高整体安全性和合理性。

2.2 应重点考虑的数据问题

如果使用传统的钢筋混凝土柱以及钢梁，在拉杆设计中设置不合理，可能会使后期的设计结构受力计算出现较多的困难，对于钢结构跨度大小要进行正确的分析计算，如果只用于一般的结构数据模拟软件，这种软件只用于计算水平结构的受力特性，但是如果用于分析整体结构的受力，会受到较多的限制性因素。但是对于系统的杆件进行受力分析，要从宏观上把握整体的数据，分别进行特征分析，可以在数据分析过程中保证杆截面不变，主要的目的是保证整个钢架在受力过程中整体的合理性，避免受到水平位移的干扰。在系统结构中，还会存在附加的弯矩，影响整体的稳定性，这种附加的弯矩在系统受力软件中还不能正确的表现出来，因此如果利用计算机模拟软件得出的结构可能与系统实际的情况存在一些差异性，需要正确对待，加以区分，并且学会利用经验来解决一些实际问题。

3 结束语

随着现代超大跨度空间钢结构设计的技术不断进步，在设计过程中不断采用科学合理的计算方法，充分借用计算机技术，满足钢结构的设计发展要求。工程设计人员要不断借鉴国内外先进的设计经验，创新设计思路，优化结构的整体设计，保障超大跨度空间钢结构设计的安全性和合理性。