探析大跨度结构的计算及抗震构造

摘要：本文对大跨度结构抗震分析和控制的相关问题进行了分析，并针对大跨度结构抗震的施工进行了论述。

关键字：抗震 混凝土结构 大跨度 天桥 大会堂

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：

近年来，人们生活水平不断的提高，工业生产及文化、体育事业不断进步，大大增强了社会对空间结构尤其是大跨度高性能空间结构的需求。而计算理论的日益完善以及计算机技术的飞速发展，使得对任何复杂的三维结构的分析与设计成为可能。近几十年来，世界各地建造了成千上万的大型体育馆、飞机库、展厅，采用的各类空间结构，展示着优美的造型，成为一道道风景；更有无数的厂房、仓库等因为采用了空间结构，实现了经济、合理的完美统一。

1 大跨空间钢结构

习惯上，通常将空间结构按形式分为五大类，即薄壳结构(包括折板结构)、网架结构、网壳结构、悬索结构和膜结构，称为五大空间结构。其中，膜结构可分为充气膜结构和支承膜结构，前者又可分为气囊式膜结构(囊中气压为3～7个大气压，称高压体系)和气承式膜结构(膜内气压1．003个大气压左右，称低压体系)，后者又可分为刚性支承膜结构(支承在刚度较大的如拱、梁、桁架、网架等支承结构上，又称骨架式膜结构)和柔性支撑膜结构(支承在脊索、谷索、边索、桅杆等柔度较大的支承结构上，又称张拉式膜结构)。在五太空间结构的基础上，平板型的网架结构和曲面型的网壳结构可合并总称为网格结构，而悬索结构与膜结构也可合并总称为张拉结构。

2大跨空间钢结构特点

2.1自重轻，经济性好。目前大部分空间结构都采用钢材、膜材等制作，轻质高强材料的运用使结构自重大大减轻。

2.2刚度好，抗震性能好。由于空间结构具有三维受力特性，内力均匀，对集中荷载的分散性较强，所以能很好的承受不对称荷载或较大的集中荷载，整体刚度大。

2.3便于工业化生产。空间结构的构件通常在工厂中制作，在工地上可以很快地安装起来。

2.4形式多样化，功能统一。空间结构的形式丰富多彩，千变万化，个性鲜明，建筑、结构和使用功能的统一。

3 空间结构的分类

3.1刚性空间结构。刚性空间结构体系是指刚性构件构成的具有很好刚度的空间结构体系。包括薄壳结构、空间网格结构以及立体桁架结构。

3.2柔性空间结构。柔性空间结构体系是指由柔性构件构成，如钢索、薄膜等，通过施加预应力而形成的具有一定刚度的空间结构体系。结构的形体由体系内部的预应力来决定。包括悬索结构、膜结构和张拉整体结构等。

3.3杂交结构体系。将几种不同类型的结构体系组合成为一种新的结构体系。 杂交体系按照其组合方式的不同可分为刚性结构体系之间的组合，如组合网架、组合网壳、拱支网壳等；柔性结构体系与刚性结构体系的组合，属于半刚性结构，这种又可分为斜拉结构、拉索预应力结构、张弦结构、支承膜结构等；柔性体系之间的组合，如柔性拉索与索网的杂交，柔性拉索与膜材之间的组合形成的索-膜结构。

4大跨空间结构计算模型

4.1 单元选择。在对大跨度有粘结预应力混凝土楼盖主梁结构进行分析时，混凝土主梁、次梁、柱和楼面板采用8结点的等参块单元来模拟，预应力钢筋采用2结点的杆单元来模拟，由于模拟有粘结预应力钢筋，要求杆单元的结点位移同块单元结点位移协调，即两种单元共用结点。

4.2 荷载与工况。作用在楼盖上的荷载包括自重（梁板自重、面层及吊顶自重），人群荷载取3.5kN/㎡，地震作用。由于建筑的设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，抗震等级为三级，采用拟静力法计算，设计基本地震加速度为0.1g.本设计和计算考虑如下3种工况：工况1，自重+预应力；工况2，自重+预应力+人群荷载；工况3，自重+预应力+人群荷载+地震作用。

4.3 预应力损失计算。主梁预应力筋采用低松弛高强度钢绞线，每束钢绞线为6×7Φ15.强度标准值fptk=1860MPa，张拉控制应力σcon=0.75 fptk=1395MPa。

5大跨空间结构施工方法

5.1高空散装法。指在结构下部搭设满堂脚手架，脚手架铺设工作平台，将小拼单元或散架运至工作平台上，然后直接在设计位置进行拼装的方法。高空散装法分为全支架法和悬挑法两种。由于在高空拼装。垂直运输时不需要起重机或大型起重设备，但现场及高空作业量大，需要大量的支撑架材料和设备。

5.2单元块吊装法。指先把网架分割成若干单元块并在地面进行组装，然后分别由起重机吊装至高空设计位置就为搁置，再间接各单元块之间上、下弦杆和腹杆直至拼装成整体的施工方法。采用单元块吊装法施工时，由于结构的大部分焊接、拼装工作都在地面进行，有利于提高工程质量。

5.3移动支架安装法。无固定的支撑脚手架，网格结构在可移动的支撑架上进行安装，需要为支架的移动铺设轨道或平整场地。移动支安装法一般都与高空散装法联合使用。需要注意移动安装支撑架的场地或轨道是否足够平整；支架移动后，对已安装的结构部件是否设置若干固定临时支撑，以分散结构杆件内力和控制节点位移，同时也需要考虑支撑撤去时的内力改变情况。

5.4 整体提升法。指先将结构在地面整体拼装完整，然后再结构柱上安装提升设备提升结构。减少了空间作业量，方便了施工管理，缩短了工程工期，从而大大节省了施工费用。但是由于施工状态和施工完成状态的力学模型不同，应进行施工及竣工后结构的构建内力、节点变形、支座反力计算、合算设计的杆件截面，必要时另外作一些加固措施，并且在提升过程中跟踪结构杆件内力变化和节点位移发展。

5.5能量法。是求解稳定承载力的一种近似方法,通过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。一是能量守恒原理求解临界荷载。保守体系处在平衡状态时,贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功,即能量守恒原理。其临界状态的能量关系为:ΔU =ΔW式中ΔU———指应变能的增量;ΔW———指外力功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分方程。二是势能驻值原理求解临界荷载。受外力作用的结构,当位移有微小变化而总势能不变,即总势能有驻值时,结构处于平衡状态。表达式为:dΠ=dU-dW =0式中dU———指虚位移引起的结构内应变能的变化,它总是正值;dW———指外力在虚位移上作的功。

5.6焊接钢板节点。主要用于弦杆呈两向布置的各类网架，如两向正交正放网架、两向正交斜放网架以及各种类型的四角锥网架。网架中，上、下弦杆均成两向正交布置，斜腹杆或位于弦杆的竖平面内或与弦杆竖平面成45。角相交。杆件端部均在节点处相交。为使这些汇交的杆件能在节点上有效地连成一体，杆件内力得到可靠的传递，应沿杆件方向设置相应的节点板，各节点板间则以焊缝连成整体，从而形成了焊接钢板节点。这种节点与钢桁架的节点构造较为相似，有时为了增加节点的强度和刚度，也可以在十字节点板中心加设一段圆钢管，将十字节点板直接焊于中心钢管上，从而形成一个由中心钢管加强的焊接钢板节点。

参考文献：

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