大跨度拱形钢结构桁架设计探讨

摘 要：随着工程施工的发展以及施工需求的不断增长，在工程建筑施工中，对于大跨度拱形钢结构形式的应用越来越多，进行大跨度拱形钢结构桁架设计分析，有利于提高大跨度拱形钢结构桁架的设计水平，提高工程结构施工建设质量水平。本文将以某大跨度拱形钢结构工程为例，结合该工程的具体特点与施工条件，对该工程的立体管桁架设计进行分析论述。

关键词：大跨度；拱形；钢结构；桁架；设计；地面拼装；空中拼装；分析

中图分类号：U446 文献标识码：A

某大跨度拱形钢结构立体管桁架设计工程是某地区的体育中心工程项目，该项目是一个综合性的室内体育馆建筑工程项目，施工建设的总面积约为14000多平方米，在进行该工程项目的施工建设中，工程的屋盖部分采用钢结构形式进行设计施工建设，工程屋盖钢结构形式主要是由24榀的大跨度变截面拱形立体管桁架壳体通过平行穿插方式构成的，如下图1所示，为该工程项目的屋盖整体结构形式示意图。

在进行该工程项目的屋盖结构部分设计与施工中，屋盖结构体系的总长度设计约为167米，屋盖部分施工的总用钢量约为870吨。在该工程项目的屋盖结构部分中，屋盖结构体系中的壳体结构主要是由一些倒三角形的横向梭性管桁架以及纵向的方管檩条，在孔径大小为36的圆钢拉索共同作用下构成的壳体结构形式，在该壳体结构形式中，将桁架底座设置为与45度角的斜面混凝土支墩进行铰接，以保证该工程屋盖结构部分的应力平衡，保证结构的设计与施工质量。此外，在该工程项目的大跨度拱形钢结构屋盖体系设计中，为方便对于该部分的施工建设，将工程项目中的整个屋盖结构体系按照功能不同划分设计为四个结构区域，即A、B、C和D，其中，屋盖结构体系中A区域为7榀桁架区域，该结构区域跨度大小总共设置为73米，该结构区域的拱形高度约设置为21米，施工建设中使用的单榀桁架重量约为37吨；而在该工程项目屋盖结构体系的B区域部分，主要为10榀桁架区域，总跨度设计约为66米，拱形结构高度约设置为20米，单榀桁架重量约为24吨；C区域为7榀桁架区，该区域的总跨度约为62米，拱形高度约为16米，单榀桁架重量约设计为23吨；最后，在该工程项目屋盖结构体系的D区域中，主要设计为1榀桁架区，总跨度约为39米，拱形高度约为10米，单榀桁架重量约为21吨。在该工程项目的大跨度拱形钢结构桁架屋盖体系施工建设中，每榀桁架中使用的主弦管以及腹管、支管等立体管，均是采用不同直径的等厚度低合金高强度结构无缝钢管进行设计构成，在进行该工程项目屋盖体系桁架的连接设计中，以全焊接连接结构为主。下文将结合该工程项目中的大跨度拱形钢结构桁架的整体施工与设计特点，对于大跨度拱形钢结构桁架的结构形式与施工方案等进行设计分析。

1 大跨度拱形钢结构桁架屋盖的结构设计

如图1所示，为上述项目工程中屋盖体系的结构示意图。在进行该工程项目的屋盖结构部分设计中，该工程项目主要采用大跨度拱形钢结构桁架结构形式，进行设计实现。下文主要从该结构形式的设计依据与大跨度拱形钢结构桁架设计过程中应力计算等，对于该工程屋盖结构形式的设计进行分析论述。

1.1 设计依据

在进行上述工程项目中的屋盖结构设计中，屋盖结构需要的钢管以及进行屋盖结构的应力荷载设计时，应力荷载计算都依据相关计算要求与规范标准进行计算设计。此外，在进行该屋盖结构的设计中，还结合屋盖结构工程项目所在地区的地震作用与环境情况等，并依据《钢结构设计规范》与《混凝土结构设计规范》的相关要求与规范标准进行设计。其次，在进行该工程项目的屋盖结构设计时，还应用了专门的计算机结构设计应用软件以及钢结构强度与整体稳定性分析与校核软件、结构体型系数模拟分析软件等，在对于屋盖体系的结构作用参数设置情况下，通过对于结构体型系数的模拟分析，实现对于大跨度拱形钢结构桁架屋盖结构的设计实现。

1.2 大跨度拱形钢结构桁架屋盖结构的设计分析

在进行上述工程项目的屋盖结构形式设计中，首先是对于工程项目中的屋盖结构形式进行选择确定。在上述工程项目施工建设与设计中，由于该项目是一座综合性的室内体育馆建筑项目，在进行该项目的施工设计中，不仅对于建筑形式的要求比较高，特殊性较强，并且对于建筑项目的室内空间需求比较大，结合项目工程的这些施工设计要求与特点，在进行施工设计过程中，为了满足工程项目的大空间需求，同时保证建筑屋盖结构部分的应力荷载与质量等，专门采用了大跨度拱形钢结构桁架进行该体育馆建筑屋盖部分的设计应用，如上图1所示，即为该体育馆建筑的屋盖结构示意图。

在进行该屋盖结构形式的设计过程中，由于屋盖结构的跨度比较大，最长跨度达到70多米，因此，为了保证该跨度范围下屋盖结构的荷载强度与质量，专门采用钢桁架结构形式进行屋盖结构的施工设计，并且钢桁架结构中，每榀桁架的主弦管以及腹管、支管等，都采用的是不同直径但是统一厚度的低合金高强度结构无缝钢管，作为钢桁架结构材料，并且进行钢桁架结构的连接中统一采用全焊接结构进行焊接实现，以保证该建筑屋盖的结构质量。其次，在进行上述大跨度拱形钢结构桁架屋盖结构的设计中，除了需要从结构材料与强度等方面进行结构形式的荷载质量与强度保证外，还需要通过对于结构的风敏感性以及风荷载情况等进行设计考虑与计算分析，以实现对于大跨度拱形钢结构桁架形式质量的保证。

结合该体育馆工程大跨度拱形钢结构桁架屋盖结构形式的主要设计因素，在进行该工程结构形式的最终选择与确定中，就需要从屋盖结构的抗风能力与结构经济性两个重要方面出发，以进行最终结构形式的确定。在经过结构抗风能力计算与结构经济性对比后，最终确定了如上文中图1所示的大跨度拱形钢结构桁架屋盖结构形式。

2 大跨度拱形钢结构桁架的吊装施工设计分析

在进行上述工程项目中的大跨度拱形钢结构桁架屋盖体系的施工建设中，为了便于施工，保证该工程的结构质量，采用吊装方式进行施工建设，通常情况下，在进行工程建设施工中，比较常用的吊装施工方法主要有双机抬吊施工法以及高空滑移吊装施工法、整体提升或顶升吊装施工法。而在进行上述工程项目的施工建设中，由于施工建设工程受到施工场地的空间限制，工程项目施工建设的一侧不能够保证大型吊机的行走施工，因此，在进行上述工程结构的施工建设中，不能采用双机抬吊吊装施工方法进行施工应用；其次，在上述工程项目的屋盖体系结构中，由于该体系结构中的管桁架平面尺寸大小并不相同，而且该工程结构的基础部分为混凝土支墩形式，因此，在进行该结构形式的吊装施工中，应用高空滑移吊装施工方法进行施工应用，施工难度比较大，并且具有较大的施工局限性；最后，由于该工程项目的屋盖结构复杂性比较高，而且在施工建设过程中，屋盖结构周边的支撑点比较少，对于施工建设应用设备的要求比较高，价格费用较多，因此，整体抬升或顶升吊装施工方式，也不适合进行上述工程项目屋盖结构体系的施工建设应用。

针对上述情况，在进行该工程项目中的大跨度拱形钢结构桁架屋盖体系施工中，为了便于施工开展，同时保证工程项目的屋盖结构施工质量，在进行该工程项目屋盖体系结构施工方案选择与设计中，在结合上述吊装施工分析的基础上，根据高空散装与分段吊装施工，在该工程项目屋盖结构施工中的优缺点，采用三段式综合安装施工工艺进行该项目屋盖结构的施工应用。三段式综合安装施工工艺也就是指将屋盖体系结构中的桁架端部的两个边段，采用地面拼装与吊装施工方式，在地面胎架上拼装完成后，通过使用履带吊设备将桁架两个边段安装固定后吊装到施工结构位置处，然后对于屋盖结构桁架的中间段则在高空搭设的脚手架上，以从两端对称向中间的方式进行高空散装，在中部进行合龙实现。

需要注意的是在应用三段式综合施工工艺进行该工程项目屋盖结构的施工建设中，该工艺方法具有以下的施工重难点。首先，在进行屋盖结构桁架的高空拼装过程中，需要对于拼装的各控制点尺寸在楼面上进行放出，通过经纬仪引导胎架上，来实现对于桁架在胎架上的高空拼装施工，而在完成这一施工内容过程中，由于进行拼装施工的桁架跨度比较大，并且净空高，因此进行测量控制的难度也比较大。其次，在进行屋盖桁架的拼装施工中，由于屋盖桁架的投影为梭形，而桁架的横截面尺寸是一个变量，因此，在进行桁架拼装施工中，上弦杆的各定位点需要从两个方向进行同时控制，也就是对于桁架的拱形高度与侧弯度进行同时控制。最后，在进行上述工程项目屋盖结构体系的拼装施工中，由于屋盖桁架上弦杆成形后是两个不同半径的圆柱面相贯线，并且在屋盖结构中，桁架腹杆和弦杆之间又是相贯连接的，因此，对于桁架弦杆与腹杆相贯线切割情况的好坏，直接对于屋盖桁架现场拼接质量好坏有着很大影响。

结语

总之，随着施工技术的发展与设计水平不断提升，在工程施工建设中，大跨度拱形钢结构桁架形式的应用也会越来越多，该结构形式在对于大空间与建筑结构外形变化性需求上有很大的满足与实现优势，进行大跨度拱形钢结构桁架的设计分析，有利于提高设计水平，保证设计质量，促进在施工中的应用，具有积极作用和意义。

参考文献

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