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城镇建设【2020年第07期】

  • ID:271743
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  • 学科:市政工程
  • 更新时间:2020-05-28 23:31:36
  • 期刊: 城镇建设
内容简介
《城镇建设》是由中国出版传媒股份有限公司主管、中国大百科全书出版社有限公司主办,国际标准连续出版物号ISSN 2096-6539,国内统一连续出版物号CN10-1589/TU。本刊是面向国内外公开发行的国家级综合性工程学术期刊,以服务于广大工程建设科技人员、管理者,促进国内外工程建设学术交流与发展为宗旨。

超大跨度空间钢结构设计的思考

2019/8/9 15:17:00 市政工程 郏冬
资料简介

【摘要】本文针对超大跨度空间钢结构设计的思考,结合工程实例,在简要阐述超大跨度空间钢结构特点的基础上,分析了具体的设计要点,并提出设计中需要注意的几个问题。分析结果表明,超大跨度空间钢结构是一种全新的建筑形式,具有跨度大、结构复杂等特性,在设计中需要结合工程特性,按照相关设计规范和标准,才能设计出高品质的超大跨度空间钢结构。希望对同类工程设计和施工提供相应的参考和帮助。

超大跨度空间钢结构设计的思考

郏冬

中铁华铁工程设计集团有限公司 北京 100071

【摘要】本文针对超大跨度空间钢结构设计的思考,结合工程实例,在简要阐述超大跨度空间钢结构特点的基础上,分析了具体的设计要点,并提出设计中需要注意的几个问题。分析结果表明,超大跨度空间钢结构是一种全新的建筑形式,具有跨度大、结构复杂等特性,在设计中需要结合工程特性,按照相关设计规范和标准,才能设计出高品质的超大跨度空间钢结构。希望对同类工程设计和施工提供相应的参考和帮助。

【关键词】超大跨度空间;钢结构;设计;计算模型

【引言】超大跨度空间钢结构是建筑科学技术发展到一定程度的主要产物,和普通钢结构相比,主要特性是在荷载作用下体现出三维受力,常见的形式有网架结构、网壳结构、悬索结构、膜结构等。近年来,超大跨度空间钢结构建筑越来越多,但我国对此方面的研究还有待进一步深入,尤其是在设计方面,尚未有完善的经验和启示,在一定程度上限制了我国超大跨度空间钢结构建筑事业的稳健发展。基于此,开展超大跨度空间钢结构设计的思考就显得尤为必要。

工程概述

某厂房建筑工程,长度为300m,跨度为120m,属于典型的超大跨度空间钢结构,基础为混凝土独立基础,屋顶形式是张弦桁架结构,同时与格构柱刚性连接,柱脚通过铰接连接。屋顶结构弦杆的截面为220mm×10mm的张弦桁架,并和腹杆相互连接,拉索为直径15.2mm钢绞线,抗拉强度为1860MPa,共设6束。

超大跨度空间钢结构的特点

和传统钢结构建筑工程项目相比,超大跨度空间钢结构的特点主要体现在以下几个方面:

自重轻,经济效益比较高。主要材料为钢材和膜材,质量轻,刚度高,可有效降低钢结构自重。

刚度好,抗震能力比较强。超大跨度空间钢结构具有三维受力特性,内力分布比较均匀,集中荷载的分散性非常强,可良好的承受不对称荷载和较大的集中荷载,因此,刚度非常大。

可实现工业化生产,超大跨度空间钢结构使用的各种钢构件,可在工厂中集中预制生产,运输到施工现场后吊装拼接即可。

形式多样化,造型比较美。超大跨度空间钢结构的形式种类多样,个性鲜明。可为设计师提供广阔的想象空间。目前各大城市所建的超大跨度空间钢结构,都成为城市标志性建筑1】

超大跨度空间钢结构设计要点

3.1精准计算模型,保证结构的可靠性

在超大跨度空间钢结构设计中,必须对设计模型进行精准计算,以保证结构受力的均匀性和设计效果。钢结构由单一人工材料(钢材)作成,组织比较均匀,几乎接近各向同性,是一种非常理想的建筑材料,符合超大跨度空间钢结构的计算方法和特性的要求。此外,因为钢结构连接模型和后期施工情况比较一致,即使现有的计算经验和公式比较少,但在模型计算过程中,存在的不定性比较小。所以,钢结构计算模型和实际施工的情况更加契合,可保证钢结构计算的准确性,提升超大跨度空间钢结构的可靠性。

3.2加强整体分析,优化设计效果

在超大跨度空间钢结构设计中,进行整体分析和优化设计是保证设计效果的关键。因此,在具体设计中,需要建立符合工程特性的整体分析模型,严禁随意简化计算模型,比如:在具体设计中,不能把超大跨度空间问题,随意简化为平面问题,否则无法达到理想的设计效果2】。在设计时要加强优化设计,充分考虑次构件具有的作用,从而充分体现设计的经济性和安全性,达到节约钢材用量和降低工程造价的目的。

3.3重视节点构造设计,提升设计的稳定性

超大跨度空间钢结构节点构造比较复杂,大大提升了设计的难度,为保证设计效果,在节点构造设计中,必须结合实际受力情况和建筑特性,通过构件的截面形式及具体的连接方法,确定相应的节点构造形式,在满足超大跨度空间钢结构对节点构造的基础上,进行必要的设计计算。将稳定性设计始终贯穿设计全过程中,此外,在超大跨度空间钢结构稳定性设计中需要综合考虑多方面因素。在本工程设计中,为保证设计的稳定性,对构件的整体稳定性、局部稳定性、整体结构的稳定性都进行了严格设计,取得了良好效果。

3.4严格控制整体刚度,加强低疲劳强度的验算

大量工程设计实例表明,在超大跨度空间钢结构设计中,很多钢结构的截面并不是由强度稳定性决定的,而是由钢结构的整体刚度来决定的。特别是在薄壁构件设计中,必须高度重视钢结构的整体分析,进而提升设计效果3】。针对长期承受频繁反复荷载的结构和连接位置,必须充分考虑疲劳问题,钢结构的特性决定了钢结构在连续重复荷载下容易发生脆性破坏,因此,为保证超大跨度空间钢结构的稳定性,在设计中必须对钢结构的构件及连接位置进行科学合理疲劳验算,保证达到设计要求。

3.5避免应力过于集中,加强防火和防腐设计

超大跨度空间钢结构的的一些构件,存在一定的内部缺陷或者焊接产生应力,导致钢结构构件的应力分布不够均匀,受到外界荷载时,容易发生局部高峰应力,从而形成应力集中问题,影响超大跨度空间钢结构使用的安全性和寿命,为解决这一问题,在设计中要明确构件的种类和质量检查方式,保证所选的构件满足工程要求,避免发生应力集中4】

虽然超大跨度空间钢结构具有很强的刚度,材质也比较均匀,但耐火性和抗腐蚀性比较差,如果钢结构的环境温度超过150℃,需要按照超大跨度空间钢结构的重要性等级和国家规定的防火规范,加强防火设计。多数情况下,钢结构必须进行防锈处理,但防锈处理的方法比较多,处理效果差距较大。在具体设计中,需要针对不同情况和不同的要求,选择经济性高、防锈处理效果好的处理方案。

超大跨度空间钢结构设计中需要注意的几个问题

单跨屋面在荷载作用下,张弦桁架对格构柱并不会形成水平推力,促使超大跨度空间钢结构能够形成自动平衡体系。

当荷载作用在单跨屋面上之后,在正常使用的情况下,相对挠度值和反拱值可相互抵消,可满足超大跨度空间钢结构在使用极限状态下稳定性的要求5】

在风荷载作用下,需要按照超大跨度空间钢结构设计的相关规定,保证拉索满足应力比。

【结束语】

综上所述,本文结合工程实例,分析了超大跨度空间钢结构设计的思考,分析结果表明,超大跨度空间钢结构是一种全新的建筑结构形式,在具体设计中,需要结合工程特性,按照相关规范和标准进行集中设计,综合考虑多方面影响因素,才能最大限度上保证设计效果,提升超大跨度空间钢结构的稳定性、安全性、可靠性,为后期施工提供必要的参考和指导。

【参考文献】

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[4]孙学根,牛忠荣,李兆峰,etal.大跨度空间结构卸载过程模拟分析与监测[J].建筑结构,2018(11):70-77.

[5]郭晶晶,范圣刚,孙鹏程.核心筒—钢桁架屋盖裙房混合结构抗震设计分析与研究[J].四川建筑科学研究,2019(5):21-26.