大跨度钢结构关键问题分析与研究

摘要：随着我国经济建设的快速发展，我国工业建筑的类型越来越多，大跨度钢结构也得到了广泛的应用与发展，随着大跨度钢结构形式的多样化，技术日益成熟，推动了大跨度钢结构的发展，但是大跨度钢结构施工过程中表现出的诸多力学及技术问题越来越严重，因此，钢结构设计时，要引起设计人员的高度重视。本文主要对大跨度钢结构关键问题进行分析与研究。

关键词：大跨度钢结构；关键问题

中图分类号：TU391 文献标识码：A

结构稳定问题

大跨钢结构在进行稳定分析与设计时，要求结构分析和设计人员对整体稳定的基本概念、失稳的类型及产生失稳的原因予以预见，才能在工程实践中，运用正确的计算方法，采取合理的计算模型，避免采用错误的推论，得到安全可靠的工程成果。

近似估计临界荷载

在设计的初步阶段，结构设计人员要根据以往设计经验和拟定结构类型，预先假定拟建结构的临界荷载值，大跨空间结构首先应考虑稳定问题，因其结构反应呈非线性特性，因此只能通过简化模型进行分析，对结构的临界荷载作出近似估计，确定临界荷载。可采用刚度等效的原则，计算结构失稳时的内力及确定失稳状态，合理的临界荷载近似值是有效的确定结构类型的首要条件。

简化模型的计算杆件数量比工程实际构件数量少，因此简化模型可以验证结构体系是否稳定，及确定主要受力杆件的应力分布情况，从而确定结构体系采用是否合理。对于实际每一个杆件的应力研究和计算，须在验证了结构稳定后，采用分解和有限元法等计算方法予以确定。

预测结构失稳类型

设计人员在设计的方案制定阶段，应预见性的判别结构方案的失稳类型，判断结构的破坏类型是突发的脆性破坏还是有预兆的延性破坏，有无破坏荷载的安全储备，以及引起失稳的主要因素。据此从候选方案中，选择性能优越的结构体系进行下一步的计算分析。若对结构进行精确的非线性分析，能够定性的预测结构的可能失稳类型，将对非线性分析数值模型和分析方法的选择提供有益的概念指导。

进行简单模型及非线性分析

大跨空间结构，由庞大数量杆件组成，即使简化的结构模型，其自由度也成千上万，非线性反应特征明显，在进行结构构件设计之前，有必要用有限元方法对结构进行精确的非线性数值分析。采用有限元分析的结果可靠与否，取决于结构设计人员是否采用了合理的分析模型。只有建立在定性分析结构反应的基础上，才能确定合理的数值分析模型，同时，这些特点又可以作为有限元分析结果是否可靠的一个评判依据。这一点不论对线性分析还是对涉及到非线性的稳定分析都是永远成立的。所以，大跨结构的非线性分析应从简单模型开始，使结构分析人员对结构的非线性特性有一个初步的了解。在此基础上，采用合理的分析模型和计算方法，逐步细化分析模型，直至计算结果达到满意程度为止。

防腐问题

钢结构具有塑性韧性好、材质均匀、工作可靠性高、轻质高强，适用于机械化加工，施工周期短，工业生产程度高与密封性能好等优点。然而，钢结构的致命缺点之一是易腐蚀，钢结构如果被腐蚀，其塑性、强度等主要力学性能指标明显下降，严重地降低了建筑物与钢结构构件的耐久性与安全性。当钢材表面和环境介质发生各种形式的化学作用时，就不可避免锈蚀。

（一）钢结构锈蚀的种类

钢材由于与外界介质相互作用而产生的损坏过程称为“钢材的锈蚀”。钢结构的锈蚀按其作用可分为以下两类：

化学腐蚀是指钢材直接与大气或工业废气中含有的氧气质液体发生表面化学反应而产生的腐蚀。

电化学腐蚀是由于金属内部有其它金属杂质，他们具有不同的电极电位，在与电解质、水或潮湿气体接触时，产生原电池作用，钢材腐蚀。

实际工程中，绝大部分钢材锈蚀是电化学腐蚀或电化学腐蚀与化学腐蚀共同作用的结果。

钢材在腐蚀条件下的力学性能

常温下正常钢材的基本力学性能较稳定，离散型不大，各力学性能指标均符合新的钢材国家标准，钢材在受腐蚀条件下，其屈服强度、极限强度、伸长率等基本力学性能指标随腐蚀程度加剧而降低。所以，钢材的腐蚀程度与使用环境有密切的关系。

滑轮力学问题及计算

在吊装过程中结构或构件常常要配置很多滑轮，其作用一是能方便结构或构件在空中调整姿态与位置，以方便与支座及相邻构件准确连接，二是能调整提吊结构的内力。由原有结构、滑轮和缆索所形成的新结构(图1)具有其独特性，其位移与内力的计算非常复杂，需要应用弹性力学与刚体力学联合求解。为了求解与寻找图1a结构在满足平衡状态的内力与位形分布，可以在桁架两端加一水平连杆，同时对其进行有限元分析。通过反复的迭代可以使结构达到平衡位形，使水平连杆的内力为零。

图1滑轮力学问题

冷冻升温结构分析方法,能够方便地分析带有滑轮结构的内力和位移问题,使滑轮力学问题得到了很好的解决。

拆撑过程中的安全问题

在结构成型过程中，需要设置一些临时支承柱，如图2所示。拆掉所有的临时支承柱在全部构件安装完成后。拆除临时支承柱的过程，是结构内力重分布与受力逐渐转移的过程。拆掉最后一根临时支承柱后，结构就完全进入设计状态。

图2 拆除临时支承柱

拆撑过程应考虑如下原则：1)受力体系转化引起的内力变化应是缓慢的过程；2)参与受力的各杆件应在弹性范围内进行调整并逐渐趋近设计状态，不允许结构构件出现永久变形；3)拆撑易于控制，安全可靠。

大跨度结构的整体提升设计

近几年，大跨度钢结构的施工整体提升项目越来越多，例如前几年刚完成的北京首都国际机场四机位库、广州新白云国际机场10号机库、深圳市民中心、上海大剧院、澳门多功能体育馆主桁架等。在提升过程中，应重点解决两个问题,一是提升系统的设计和计算；二是提升柱与被提升的结构不应该遭受破坏与损伤。结构的提升状态和结构的设计状态是不同的，根据结构的受力特点结构工程师对提升系统提出要求，同时验算提升柱与结构的刚度、强度与稳定性。

依据提升结构与提升柱的安全程度，在提升过程中，可以人为地改变结构提升过程的受力状态。有两种处理措施：一是在一个提升柱中，可能是由于两个提升力偏心不等对柱产生非常不利的影响，可以通过调整两个提升力的大小使柱接近或达到中心受压来改善柱子的受力状态，但是也要对提升结构的变形与内力进行检验。一是根据提升柱稳定性与刚度的强弱程度，可以调整提升柱之间提升力的大小分布，保证弱柱在提升过程中的安全是需要把弱柱的提升力转嫁到强柱上的，相应的提升结构的变形与内力也发生变化，尤其要检验它的稳定性与强度。

防火问题

钢材耐热但不耐火的性质、火灾发生因素的增加、规模的扩大，给生产生活带来的生命和财产损失也越来越大。钢材耐热但不耐火的性质、火灾发生因素的增加、规模的扩大，给生产生活带来的生命和财产损失也越来越大。因此，要做好钢结构防火保护，钢结构主要的防火方法是涂敷隔热图层或采用外部混凝土封闭法、 内部蓄水法防火板材包覆法复合保护法都可以做好大跨度钢结构的防火问题。因施工工艺复杂、施工时间长、工程造价高、大跨度结构的载荷等原因，在实际应用中，大跨度钢结构使用复合保护法，对于大空间、大跨度钢结构构件的耐火等级也很难达到二级。

结束语

随着大跨度钢结构的广泛应用，我国在大跨空间钢结构关键问题的研究更加深入，对钢结构的稳定问题、防火防腐问题及在施工过程中滑轮力学问题和安全性问题等研究，提出有效的解决策略。从而促进我国大跨空间钢结构更积极、健康的发展。

参考文献

[1]张乐民 . 大跨度钢结构厂房火灾危险性和防火措施 [J].21 世纪建筑材料，2009.

[2]王嘉琳,蒙炳穆.关于大跨度空间钢结构施工控制的探讨[J].建筑施工,2010,07.