关于大跨度建筑钢结构设计分析

摘 要：随着我国建筑行业的发展，大跨度钢结构的设计越来越重要。因此，在工程设计的过程中，对结构设计的关注逐渐得到更多的关注。但是在实际的操作中，大跨度钢结构的设计过程中存在很多的问题，本文正是针对这些问题对大跨度钢结构设计进行了阐述。

关键词：厂房工程；钢结构；大跨度；施工要点；研究分析

中图分类号：TU391文献标识码： A

1 引语

随着经济的发展，我国很多地方的建筑物结构中大跨度钢结构都得到了应用，在工程中，更多的设计人员认识到了结构受力性能的重要性。结构设计是否完善直接关系到建筑物建设是否合理，质量是否符合要求，在施工中建筑物的安全问题与造价问题。因此，在大跨度钢结构设计中，结构是否合理或者可行性如何已经成为工程实践的有力依据。

我国经济发展不断取得新的成果，社会发展也随之加速，其中建筑行业的发展更加迅速。在建筑结构的发展中，很多的体育馆、候机厅等等大型的建筑中，钢结构的广泛应用代表着我国建筑行业的发展进入了一个崭新的阶段。在钢结构的应用中，大跨度钢结构的施工构造技术是十分重要的，而在施工过程中必须具备经济安全的设计方案【1】。

2 大跨度房屋主要的钢结构划分

在钢结构的应用中，因为钢结构的刚度是各不相同的，所以通常能够将大跨度钢结构的形式分为三种：刚性结构、柔性结构和杂交结构。在这三种结构中，杂交结构能够通过两种形式获得，就是刚性和柔性结构的结合以及改变传统结构特点，在此主要对刚性和柔性大跨度结构进行研究。

2.1刚性大跨度房屋结构

在大跨度结构中主要包括钢梁和钢相架，而且他们自身的刚度对于大跨度的总体刚性起到十分关键的作用。通常所说的空间网格结构是指结构组成的单元，在空间网格结构中通常是由钢结构的构件来组成的。这种结构的作用十分明显，在受力方面的处理更加的合理和科学，能够提供较大的刚度，在抗震方面的性能相对比较优越，同时具备多种造型的空间，能够适应各种环境的结构要求【2】。

空间结构大多是由钢梁或者钢析架组成，如果跨度比较大，可以通过预拉力来提高结构的刚度，这样可以节约钢材。大跨度钢结构不仅具有空间网格结构的特点，同时还有自身独特的优势。比如结构相对简单，在施工中更加方便表达建筑的不同造型。但是不可避免的这一结构也有自身的缺陷，例如对于比较复杂的构件就需要十分繁琐的制作过程，不利于缩短工期【3】。

2.2柔性大跨度钢结构

对于柔性的大跨度结构，在受力方面可以分成竖直、水平、空间三种。竖直面受到的张力弦屋架、预张力索衍架体系的影响，而水平面的影响则有单层预张力索网体系和张力膜结构体系。在空间位置上的受力有空间预张力索网格体系、索弯顶和张拉集成体系。

3 结构设计存在的问题及分析

3.1存在的问题

因为大跨度结构在使用中有很多的优势，这些优势是其他的结构和材料不能替代的，这就使得大跨度结构被广泛的接受和推广，因此在应用中，超过30米的大跨度结构已经十分常见了。但是由于钢材具有很强的实用性，在很多地方都可以使用，这就造成钢材的结构经常发生变化，同时钢柱的使用量通常要比钢梁的使用量大，而防火材料也是十分贵的，从而让很多人逐渐转向了使用传统的钢筋混凝土柱和H钢屋梁来代替原先设计中的钢材【4】。这种改变给设计人员的设计理念注入了新的灵感，但是当前我国并没有针对钢结构的专门参数指标，就导致这种结构的设计施工中很多问题得不到完善，为建筑结构的质量安全带来影响。因此，针对这一结构，需要先对实际的参数值进行研究，确定参数极限值，从而清除的认识到结构内部受力的特点，只有这样才能够让整个结构更加科学安全。

3.2结构计算应考虑的问题

由于受到钢结构自身不足的影响，对于用传统的钢筋混凝土柱和H钢屋梁来代替原先设计中的材料的结构体系这一问题，同样需要考虑很多问题。在设计中如果没有进行拉杆的安排，就会让计算的过程变得很复杂，但是如果不对跨度进行重视，只是在计算机软件的帮助下来进行计算，那么就会影响结构的安全性。在当前的应用中，平面杆系计算机软件的应用，前提是两个假设，一个是平截面假设，另一个是杆件相互之间的夹角不变【5】。但是假设的情况不一定适合实际的需要，具体说来是对人字型的钢梁的推理过大，而拱脚并没有设置相应的拉杆以及柱子，这就无法形成抗推力，没有抗推力就会导致构件的移动，而影响到钢梁夹角，这实际上与两个假设的前提是互相矛盾的，在设计过程中无法完成计算。而实际设计中，拱脚水平位移如果增加，那么钢筋混凝土就会具备了弯矩，这就会带来二阶效应，不过在计算中并没有将二阶效应的影响考虑在内。不仅如此，如果受到悬索效应的影响，在屋面上的内力会快速上升，剪力也会增大，那么就会导致情况恶化。计算机软件对于这些问题都是无法识别和解决的，因此，点算的结果一定会产生较大的误差，所以在计算中直接利用点算结果进行设计是不科学的，不能够保证设计的正确性。

4 大跨度钢结构的设计要点

根据大跨度结构中的荷载类型，可以分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载。在这三种荷载中，永久荷载通常使用标准值进行标示，可变可在则是再设计的标准上使用组合值或者永久值等【6】。对偶然荷载的代表值是在建筑结构的特性基础上来确定的。

4.1 永久荷载

结构中的永久性荷载是结构以及材料自己的重量，在结构上，对于自重的计算大多依靠验算公式或者是计算机的软件。但是在计算中必须对一些问题进行考虑，比如在系统中如果存在擦体系，那么就要重视擦条的自重计算。而相关的材料的自重计算则是要在实际的统计和计算的结果上来进行计算。

4.2 可变荷载

在对大跨度钢结构进行应用的过程中，可变负载主要由以下几种荷载来构成：

4.2.1表面活荷载

活荷载通常是在根据水平投影的面来确定的。屋面的平均荷载通常采用0.5kN/m2这一标准值来表示，然而施工或者维修不当也需要根据实际情况来进行计算并采用。在设计和施工中，需要采取相关的措施来应对各种问题的发生，比如上人屋面,屋面均布活荷载标准值采用2.0kN/m2。

4.2.2雪荷载

这一荷载通常是根据屋面的形状以及风的方向影响的。比较常见的是屋面的雪荷载通常要比本雪压要小的多。主要的原因就是屋顶的坡度大，而雪花在落下的过程中被风吹下。虽然雪会因为受热而慢慢融化，但是如果没有及时的融化就会形成积雪，这时候荷载就会大很多。这就需要对荷载较大的情况进行考虑，从而防止安全隐患【7】。

4.2.3风荷载

风带来的荷载大多事因为建筑物影响了空气的流动而导致的，在建筑物表面形成了压力和吸力。风荷载通常有两个特点，静力和动力。静力的特点主要是因为风在吹的过程中相对稳定，而动力则是因为风的形式是脉动风。在这两种风中，可以在静力学的基础上进行计算，动脉风就要在动力学基础上进行计算。

4.2.4温度作用

温度作用是指，结构会因为温度变化带来的温差而导致钢结构的构件无法自由的伸缩变形，导致钢结构构件中出现应力，这种因为温度而产生的应力被称作温度应力。温度最高值和最低值都会影响到钢结构的温差，在结构合拢时的温度也会受到影响，因此在进行大跨度钢结构的设计过程中，必然要对这一问题进行考虑，而温度应力的计算就需要根据各种规定来计算【8】。

4.2.5支座位移

支座位移出现的原因是沉降不均匀导致的附加应力。

4.3 偶然荷载

在大跨度钢结构中，偶然荷载主要是地震作用下产生的。对建筑物而言，地面的运动会产生一种惯性作用，这是一种动力作用，这一作用过得大小对于钢结构的稳定性有很大影响。

5 结语

社会的发展促进了建筑行业的进步，随之而来的是大跨度结构的应用和设计逐渐被推广。在大跨度钢结构的设计中，人们的需求逐渐促进了结构向着新的方向发展，开始具备不同的意义和内涵。在进行大跨度结构设计的时候，首先要对当前的结构发展核心加以了解，对于国外的先进理念加以借鉴，不断的充实自身思路和设计，最终实现大跨度钢结构在质量和形式上都得到创新。

参考文献：

[1] 崔灿.考虑支座节点尺寸效应和摩擦特性的大跨度钢结构有限元分析方法[D]. 华南理工大学 2012.

[2] 付裕.钢结构桁架式通廊设计优化与工程应用[D]. 山东大学 2012.

[3] 周伟星.基于能量法的大跨度钢结构整体失稳模态判别方法及稳定极限承载力计算[D]. 华南理工大学 2012.

[4] 周嵘.大跨度结构在杭州大剧院工程中的应用研究[D]. 浙江大学 2013.

[5] 郑永康.高空大跨空间结构施工技术应用与研究[D]. 南昌大学 2011.

[6] 李凌峰.太原火车南站复杂大跨钢结构施工过程受力分析与监测[D]. 太原理工大学 2012.

[7] 麻文娜.大跨度钢拱结构抗震性能的研究[D]. 西安建筑科技大学 2010.

[8] 汪军.大跨度钢桁架结构施工技术研究[D]. 天津大学 2014.