大跨度拱形结构（精选7篇）
大跨度拱形结构 篇1
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
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
[1]刘志坚.济南站无站台柱雨棚大跨度拱形空问钢管桁架施工技术[J].铁道标准设计, 2008 (08) .
[2]程勤功, 金振, 毕庆槐.大跨度变截面拱形立体管桁架施工技术[J].建筑技术, 2007 (05) .
[3]杨春峰, 李晓润, 吴昌栋, 陈水荣, 程荣, 何文济.飓风区大跨度拱形钢管桁架结构设计[J].钢结构, 2011 (11) .
大跨度拱形结构 篇2
大跨度空间结构施工中,高空作业量多,施工难度大，结构的施工质量尤为重要,并且施工人员的安全防护要求特别高。
高处作业的一般要求
(1）
进行高空作业的各工种和现场人员必须遵守本规程，从事高空作业的人员，必须定期检查，患有下列疾病,不宜从事高空作业:高血压、低血压、心脏病、贫血病、颠病.(2）
高处作业者必须使用安全帽、安全带、穿软底鞋,登高前严禁喝酒，并清楚鞋底泥沙和油垢。
（3)
脚手板、脚手架、栈道、斜边、梯子、吊蓝、挂板等高处作业设备，必须搭设稳固，材质优良，巡回检查使用情况.（4）
高处作业的设备，不许有翘头板、空头板、断裂板、露头钉、朝天钉、空缺挡、折断等缺陷，施工中的“五口”应设围栏及盖板，在“五口”处不得放置落下的料具.(5)
斜道、斜跳板及操作平台上除钉有或焊有防滑条或涂上防滑漆外，应及时清扫上面的泥沙和油垢。
(6）
必须使用梯子登高,不准从模板或脚手架外登高，不允许用起重机吊人员。
(7)
传送工具和材料应用绳索系送，禁止抛掷，禁止从高处向下推掷料具。
（8）
脚手架和起重设备上空及附近空间,如有高压线，应按安全距离控制,脚手架上所有的电线和电器设备应绝缘良好，以防止漏电。
(9）
六级强风和雨雪天及夜间，一般应停止高处作业，如需进行高处作业，则应制定相应的防护措施。
（10)
钢结构吊装前，应进行安全防护设施的逐项检查和验收，验收合格后，方可进行高处作业。
悬空作业安全
（1）悬空作业处应有牢固的立足之处,并必须视具体情况，配置防护栏杆、栏网或其他安全设施。
（2)悬空作业所使用的索具、脚手架、吊蓝、平台等设备，需经过技术验证或鉴定才能使用。
（3)钢结构的吊装，构件应尽可能在地面组装,并搭设临时高空设施，以利于高空固定，点焊、螺栓连接等工序。拆卸时的安全措施，也应一并考虑.高空吊装大型构件前，也应搭设悬空作业中所需的安全设施.（4）进行预应力张拉时，应搭设站立操作人员和设置张拉设备用的牢固可靠的脚手架或操作平台.预应力张拉区域标示明显的安全标志，禁止非操作人员进入.(5)悬空作业人员，必须佩戴好安全帽、安全带等。
攀登作业安全
（1）
现场登高应借助建筑结构或脚手架上的登高设施,进行登高作业时，也可使用梯子或其他登高设施。
（2）
柱、梁和滑轨等构件吊装所需要、的直爬梯及其他用于登高用的拉攀件，应在构件施工图或说明内作出规定,攀登用具在结构构造上，必须牢固可靠.(3)
梯脚底部应垫实，不得垫高使用，梯子上端应有固定措施。
（4）
钢柱安装登高时，应使用钢挂梯或设置在钢柱上的爬梯.（5)
登高安装钢梁或轨道时,应视钢梁高度,在两端设置挂梯或搭设钢管脚手架.（6)
在网架或网壳上、下弦登高操作时,应视跨度大小在两端及跨中设置攀登时上下的梯架。
交叉作业安全
（1）
结构安装过程各工种进行上下立体交叉作业时，不得在同一垂直方向上操作，下层作业的位置,必须处于依上层高度确定的可能坠落范围半径之处，不符合以上条件时，应设置安全防护层.（2)
脚手架边缘、上层结构边缘，严禁堆放拆下的构件。
（3）
施工高度较大时，凡人员进出的通道口均应搭设安全防护棚.（4）
由于上方施工可能坠落物件或处于起重机扒杆回转范围之内的通道,在其受影响范围内，必须搭设顶部能防止穿透的双曾保护廊.结构焊接安全
1、防止触电
（1)
电焊机外壳，必须接地良好,其电源的装拆应由电工进行.（2）
电焊机设备单独开关,开关应放在防雨的匣箱内，拉合匣时，应戴手套,侧向操作.（3)
焊钳与把线必须绝缘良好,连接牢固,更换焊条应戴手套.潮湿地点，应站在绝缘胶板或木板上。
（4）
严禁在带压力的容器或管道上施焊，焊接带电的设备必须先切断电源，(5）
贮存过易燃易爆、有毒物品的容器或管道,必须先清楚干净,并将排气孔口打开。
(6)
焊接预热工件时,应有石棉匝布或挡板等隔热措施。
(7）
把线、地线禁止与刚丝绳接触，更不得用钢丝绳或机电设备代替零线.所有地线接头，必须连接牢固。
(8）
更换场地移动把线时，应切断电源,并不得手持把线爬高攀登.（9)
雷雨时，不得进行露天焊接作业。
(10)更换焊条时一定要戴皮手套，不要赤手操作。带电情况下，为了安全，焊钳不得夹在腋下去搬被焊工作件或将焊接电缆挂在脖子上。
(11)下列操作,必须在切断电源后才能进行：
a）
改变焊接接头时;
b）
更换焊件需要改变二次回路时;
c）
更换保险装置时;
d）
焊机发生故障需进行检修时；
e）
转移工作地点搬动焊机时；
f)
工作完毕或临时离开现场时。
2、防止爆炸
防止爆炸主要发生在气割过程中,由于要用到乙炔瓶，所以储存和使用乙炔瓶注意以下几方面问题：
（1)乙炔瓶储库的设计和建造，应符合建筑设计防火规范中乙炔站设计规范的有关规定.(2)储存间应有专人管理，在醒目的地方应设置标志。
（3)严禁与氯气瓶、氧气瓶及易燃物品同间储存.(4)储存间与明火或散发火花地点的距离，不得小于15m,且不应设地下室或半地下室。
(5)储存间应有良好的通风、降温等设施，要避免阳光直射，要保证运输畅通，在其附近应设置有消防栓和干粉。
(6)乙炔瓶储存时,一般要保持竖立位置,并应有防止倾倒的措施。
(7）使用乙炔瓶的现场，储存量不得超过5瓶，超过5瓶但不得超过20瓶，应在现场或车间内用非燃烧体或难燃体隔墙分库;储存量不超过40瓶的乙炔库房，可与耐火等级不低于二级的生产厂房毗郐建造。
钢机构吊装安全
1、一般规定：
(1）吊装前应编制结构吊装施工组织设计或制定施工方案，明确起重机吊装安全技术要点和保证安全技术措施。
（2)参加吊装的人员应经体检合格,在开始吊装前应进行安全技术教育和安全技术交底。
(3)吊装工作开始前，应对起重运输和吊装设备以及用索具、卡环、夹具、锚锭等的规格、技术性能进行细致检查和试验，发现有损坏或松动现象,应立即调换或修好。其中设备应进行试运转，发现转动不灵活、有磨损应立即修理。重要构件吊装前应进行试吊，经检查各部件正常，才可进行正式吊装。
2、防止高空坠落
（1）为防止高处坠落，操作人员在进行高处作业时，必须正确使用安全带.安全带一般应高挂使用。
（2)在高处安装构件时，要经常使用悄杠校正构件位置，这样必须防止因撬杠滑脱而引起的高空坠落。
（3）在雨期、冬季里，构件上常因潮湿或积有冰雪而容易使操作人员滑倒，采取扫清积雪后在安装，高空作业人员必须穿防滑鞋方可操作.(4）高空操作人员使用的工具及安装用的零部件,应放入随身佩戴的工具袋内,不可随便向下丢掷。
（5）在高空用电焊切割或气割时，应采取措施防止割下的金属或火花掉下伤人。
(6）地面操作人员，尽量避免在高空作业的正下方停留或通过，也不得在起重机的吊杆或正在吊装的构件下停留或通过。
（7）构件安装后，必须检查连接质量，无误后，才能摘钩或拆除临时固定工具，以防构件掉下伤人.(8）设置吊装禁区,禁止与吊装作业无关的人员入内.3、防物体下落伤人
(1)高空往地面运输物体时，应用绳捆好吊下。吊装时,不得在构件上堆放或悬挂零星物体。零星材料和物体必须用吊笼或钢丝绳保险绳捆扎牢固，才能吊运和传递,不得随意抛掷材料物件，工具,防止滑脱伤人或意外事故.(2)构件绑扎必须绑扎牢固，起吊点应通过构件的重心位置，吊升时应平稳，避免振动或摆动.(3)起吊构件时，速度不应太快，不得在高空停留过久，严禁猛升猛降，以防构件脱落。
(4）构件就位后临时固定前，不得送钩，解开吊索索具。构件固定后，应检查连接牢固和稳定情况。当连接确实安全可靠才可拆除临时固定工具和进行下步吊装。
(5）风雪天，霜雾天和雨期吊装,高空作业应采取必须的防滑措施，如在脚手架、走道、屋面铺麻袋或草垫，夜间作业应有充足照明.4、防止吊装结构失稳
（1）构件吊装应按规定的吊装工艺和程序进行，未经计算和可靠的技术措施，不得随意改变或颠倒工艺程序安装构件.（2)构件就位够，应经初校和临时固定或连接可靠后方可卸钩,最后固定后方可拆除临时固定工具。高宽比很大的单个构件，未经临时或最后固定组成一稳定单元体体系前，应设溜绳或斜撑固定。
（3）构件固定后不得随意撬动或移动位置，如需要重新校正时,必须回钩。
（4)多节吊装时，应吊完第一节后,将下节灌浆固定后，方可安装上节构件.5、防止触电
（1）吊装现场应有专人负责安装、维护和管理用电线路和设备。
(2）起重机在电线下进行作业时，工作安全条件应事先取得机电安装或有关部门同意。起重机在电线附近行驶时,起重机与电线之间的距离不应小于相关规定。
(3)构件运输时,距高压线路净距不得小于2米，距低压线路不得小于1米,如超过规定应采取停点或其他措施.（4）使用塔式起重机或长吊杆的其他类型起重机，应有避雷防触电设施，各种用电机械必须良好的接地或接零，接地电阻不应大于4欧姆，并定期进行接地极电阻遥测试验。
6、塔吊、起重机等大型设备施工安全
（1）大型机械设备的拆装作业，必须由具备安装资质的专业队伍和人员承担，一般人员不得参与.(2)安拆作业前,承接单位要召集工程技术、安全部门人员一同勘察现场情况，协商制定安全技术保证措施。
(3)大型机械的拆除安装，对参加拆装人员要进行安全技术交底，严格遵守拆装程序，拆装时，要有安全监管员和技术负责人在现场指挥.(4)大型机械的安装拆除作业,应遵守电气、机械、高空作业安全规程，防止触电、坠落、挤伤等事故.（5）安装完毕的设备,应符合《起重机械安全规程》和《建筑机械使用安全技术规程》的要求，并通过公司或劳动部门验收后方可使用。
(6)各种机械设备都应遵守《建筑机械使用安全技术规程》。要加强对操作人员的安全教育，经常深入施工现场检查规程执行情况，发现问题及时解决，消除安全隐患。
(7)对操作人员必须经过安全操作技术培训、考核,取得操作证后,方可单独操作.（8)执行定机、定人、定岗位制度,加强责任心教育，要求操作人员不仅要保证本机的安全，且要保证协同作业人员的安全。
(9）结合机械设备的定期检查，委派专人对设备的安全保护装置和指示装置进行检查,以确保安全装置齐全，灵敏、可靠。
（10）机操人员必须听从施工人员的正确指挥，精心操作。对于施工人员违反安全技术规程和可能引起危险事故的指挥，操作人员有权拒绝执行。
（11)各种型号塔吊使用,必须实行定人、定机、定岗位责任。配备1~2名司机和2名以上指挥人员及维修工，团结一致，统一指挥。
(12)塔吊作业前按规定对机械进行调整、紧固、润滑及防腐。经常检查塔身垂直度，垂直度偏差要小于4％。
（13)塔吊作业前应进行空载与重载运转试验，并经常检查各电气保险装置、限位装置、报警指示系统是否齐全有效。
(14）起吊重物时，严禁超负荷使用。
(15）不论有无安全装置和设备,严禁任何人随吊物品升降。
（16)作业前先发信号，然后将重物离地0.5米左右停车，确定刹车、钓钩、重物绑扎无问题后，方可指挥起升作业，塔吊停用时，钓钩上升距吊杆距离不得小于1米.（17）塔吊在停电、停工时，应将重物卸下,不得悬空挂在空中。
(18)塔吊卷筒上钢丝绳不得少于三圈，钢丝绳在筒上应排列整齐，并经常保持油润,达到报废标准时应及时更换。
(19)塔吊司机应认真作好塔吊运转记录及交接班记录方可离岗。
大跨度拱桁架结构方案优化分析 篇3
关键词:张弦拱桁架;索;拉杆;预应力分析;屋盖结构选型
中图分类号:TU758文献标识码:A文章编号:1000-8136(2010)05-0061-02
1 工程概况
本工程为陕西省榆林市漠海丽江餐饮有限公司餐饮中心生态种植区的钢屋盖结构,屋盖结构主体采用钢管立体桁架结构,跨度60 m,柱距8.1 m,设计基准期为50年,设计使用年限为50年,建筑结构的安全等级为二级,结构重要性系数r0=1.0。根据GB50223—2008《建筑结构设防分类标准》和GB50011—2001《建筑抗震设计规范》的要求,本地区抗震设防烈度为6度(0.05 g),设计地震分组为第一组,地类别为Ⅲ类,特征周期Tg=0.45 s。根据GB50009—2001《建筑结构荷载规范》的要求,本地区基本风压:W0=0.4 kN/m2,基本雪压:S0=0.25 kN/m2,温度作用:±30℃。屋面恒荷载:上弦0.60 kN/m2(不含自重),屋面活载:0.5 kN/m2。
2 屋盖结构方案的制定
由于甲方要求结构外形简单、流畅,空间大,且该工程跨度大、体量大,因此选择合理的网架类型是保证结构方案安全经济合理的关键。为减少设计工程量,利用国内成熟管桁架设计软件3D3S8.0近似模拟网架的实际工作条件。考虑到建筑和传力方式的要求,选择了管桁架的结构形式,见图1。图1(Ⅰ)的结构在支座之间不拉索和杆,该结构具有强度高,重量轻等良好的力学性能,结构外形简单、流畅、空间大、施工难度低、节约材料等优点。图1(Ⅱ)的结构在支座之间拉6X37-φ47.5有机芯1700(公称抗拉强度)型钢丝索。该结构可以充分发挥柔性和刚性两类材料的受力特性,通过对索施加预应力来提高结构的刚度,给结构提供跨中弹性支撑来改变弯矩的分布方式达到降低弯矩峰值的目的,利用结构的自平衡特性减小支座间的水平推力。图1(Ⅲ)的结构在支座之间拉φ127×6.0的热轧无缝钢管,该结构结构刚度大、形状稳定性好,可以抵抗风吸力,同样也可以减小支座间的水平推力。
3 结构方案的比较分析
3.1 计算模型及其参数
已有的研究成果表明:拱桁架结构本身为平面结构体系。因此,文章选用一榀拱桁架为计算模型。
结构的跨度为60 m,矢高为7.5 m,横截面为倒三角形。根据结构设计要求,截面的选取见表1,材料为Q235B钢,弹性模量:E=2.06E11N/m2,屈服极限:σs=235E6N/m2,张弦拱桁架支座为一端刚接,一端铰支,文章采用ANSYS程序进行分析。拱桁架的上弦、下弦、腹杆和撑杆采用LINK8模拟,撑杆与下弦、拉索之间视为铰接,拉索方案的拉索采用LINK10模拟,而拉杆方案的拉杆采用BEAM188模拟。
3.2 单榀拱桁架的受力分析
3.2.1 静力分析
静力分析是结构的基本分析,在该分析中,着重考虑结构的工作状态,即考虑了结构的自重、恒载、活载、风载,将荷载以集中力的方式作用在上弦各个节点上,其值分别为1.082 kN、1.586 kN、15.902 kN、15.062 kN、16.406 kN。
(1)Ⅰ方案拱桁架支座为两端铰支,其最大位移出现在跨中,值为54.2 mm,下弦杆的内力最大,值为101 MPa。
(2)Ⅱ方案中,考虑了索的预应力,通过调整张弦桁架中索的初始应变的方式施加预应力,对结构初始形态预起拱,《钢结构设计规范》允许预起拱值为“1.0恒+0.5活”产生的变形,按此规定,几乎所有结构刚度不足工程均不需要对结构在荷载下产生的弹性位移进行控制,而通过结构的初始几何形态的预起拱实现结构正常使用的变形性能安全设计目标。但此时,结构的绝对位移值超过250 mm,如此大变形对屋面围护次结构、屋面防水连接构造的正常使用的安全性能将产生严重不利影响。参考大量的工程实例,预起拱值在自重作用下,以结构弹性位移约达到跨度的1/400L为基准试算求得。预应力取值为800MPa时,起拱值176mm,下弦杆的应力最大,值为82.0 MPa。将800 MPa的预应力作为初始预应力加到结构上,在正常使用状态下,其最大位移出现在跨中,值为68.9 mm,上弦杆的内力最大,值为234.6 MPa。
(3)Ⅲ方案中,将拉索换为拉杆,其最大位移出现在跨中,值为87.8 mm,下弦杆的内力最大,值为91.8 MPa。为了方案的优选,文章将3个方案的用钢量、结构最大反力、挠度、施工难易度等经济技术指标列表,其结果见表2。
3个结构方案的最大位移均出现在拱桁架的跨中,其最大位移也符合规范对挠度的控制标准。比较表2中3个方案的经济技术指标可以看出:Ⅰ方案的用钢量和支座反力最大,而这恰恰与甲方要求用钢量低、对下部结构负荷小的要求相违背;Ⅱ方案在索施加预应力的作用下,用钢量最省,如对索施加预应力来达到控制结构挠度的要求,则所施加的预应力较大,其索力约为670 kN,上弦杆的断面也相应的增大,而且,施工难度比较大;Ⅲ方案的用钢量和支座反力居于Ⅰ方案和Ⅱ方案之间,且施工也不难,挠度也满足规范的要求。
3.2.2 模态分析
结构的自振特性是结构动力的基本性质,也是动力分析的基础。对结构进行动力特性分析,取前8阶振型以保证参与质量达到90%以上,频率值见表3。
由表3可见,拉杆方案的基频远大于拉索方案的基频,则说明Ⅲ方案的面内刚度大于Ⅱ方案的面内刚度,抗震性能良好。
4 结论
通过对张弦桁架的受力分析,可得出如下结论:
(1)通过对管桁架支座间拉杆可以大大降低结构支座处的水平反力,节约钢材。
(2)管桁架支座间拉杆,能有效减小竖向挠度且施工难度小,在类似工程的研究作为参考。
Optimization Analysis on Steel Truss Structure for Long-span Arch Truss Structure
Wang Wei
Abstract: In this paper, taking Shanxi Province,Yulin City,Mo Hai River Restaurant Limited Catering Center for Eco-growing areas of the steel roof structure as the research object,according to Party A on the structure of space, the amount of steel and the substructure load a small request, first,carried out a preliminary design of the structure with the design process 3D3S8.0,set a bar between the non-cable and bar,cable and bar three programs,and then use analysis software ANSYS to study the static and dynamic characteristics of truss and calculated the reasonable value of prestressed cable.The calculation results show that: the amount of steelbar program,vertical deflections were small and the low degree of difficulty of construction,therefore,The project has adopted the bar program.
大跨度体外索拱形门式刚架设计 篇4
针对这种传统结构在大跨度建筑中的运用,国内部分学者提出了门式刚架与预应力技术相结合的方案,并做了一定理论及实验分析,但尚未见相关工程实例报道。其中比较有代表性的是清华大学王元清和石小敏等研究的大跨度索支撑实腹式门式刚架[1,3,4]。其特点是在刚架梁上安装若干可伸缩的竖直撑杆,钢索两端锚固在梁柱节点,中间与竖直撑杆端头铰接。施工中通过旋转伸长撑杆给钢索施加预应力,钢束预应力反过来又通过竖直撑杆给刚架梁提供弹性支撑,从而形成一种受力性能优越的自平衡体系。
本文在上述研究的基础上,将桥梁结构中常采用的大吨位体外索及其锚固体系引入到建筑类门式刚架中,提出了一种新的预应力门式刚架形式——带水平拉索的钢箱截面拱形两铰门式刚架,并将其成功应用于跨度达91.5 m的天津京津塘高速公路机场收费站新建罩棚。
1工程概述
天津京津塘高速公路机场收费站是北京进入天津的重要门户,改造前规模为4进6出,收费广场总宽度52.2 m,罩棚总跨度64.4 m,宽度20.5 m,屋面高度8.2 m;进行提升改造后规模为6进10出,收费站广场总宽度约82.9 m,新建罩棚跨度随之增大,达91.5 m,总宽25 m,屋面高度14.65 m,其效果图见图1。
新建罩棚秉承大气、清新、靓丽的建筑风格,主体以拱形“门”的造型寓意着天津的门户及海纳百川的气势,造型轻盈简洁,整体感强。在色彩上采用清新淡雅的白色基调,体现出现代建筑的特点。综合考虑罩棚功能及景观效果要求,针对结构跨大梁薄的特点,罩棚结构形式选择为带水平体外索的钢箱截面拱形两铰门式刚架,结构总体布置图见图2。
刚架横向共布置3榀,每榀结构宽 5 m,相邻两榀之间间距4 m,采用9道横梁将两者连接起来。结构铰采用机械钢铰,由厚钢板焊接成底座,并采用合金钢45Cr制成销轴。3榀刚架的下部结构采用整体式的条形承台,承台下布置群桩基础。
本门式刚架跨中结构底面离地面约14.5 m,为配合建筑效果,柱腿小幅度内收,两柱顶最外边线距离为91.5 m,两柱脚中心距离为87.4 m,跨度较大。跨中梁高取1.1 m,根部角隅处梁高2.5 m,柱底截面高1.1 m。刚架截面形式为单箱双室钢箱梁,角隅附近为锚固拉索及加强梁柱交点刚度,增加了两道腹板,即角隅附近截面形式为单箱四室。横隔板间距在梁部分为3 m(每两道横隔板的中间位置布置腹板竖向加劲肋),在柱部分约为1.25 m,在角隅段及钢锚锚箱附近横隔板适当加密。顶、底板及腹板加劲肋均采用“1”字形肋,施工方便。
刚架分段架设,每榀共分成7段,梁段最大吊装质量约为70 t,梁段数少,吊装重量不大,施工便捷。顶板、腹板、底板接缝处做成企口状,接缝位置相互之间错开300 mm以上。
为了加强刚架的防撞能力,在柱腿段填充5 m高的C30微膨混凝土。主要设计荷载取值:结构自重γ=78.5 kN/m3,装修等二期恒载按0.7 kN/m2考虑;雪荷载0.5 kN/m2;屋面活载0.5 kN/m2;风荷载,基本风压0.6 kN/m2;温度荷载,整体升温30 K,整体降温30 K,拉索与刚架之间温差±10 K。
2主要特点及关键技术问题
2.1跨大梁薄
根据建筑要求,罩棚在广场中间不设置支撑柱,一跨跨越整个广场,两柱顶最外边线距离达91.5 m,跨度上比目前国内门式刚架单跨最大72 m的纪录提高了27%。均布荷载作用下,结构竖向位移与跨度的4次方成正比,即同等条件下,本结构跨中挠度将是原纪录的2.6倍,结构刚度控制难度显著增加。为了达到景观图中轻盈、秀美的效果,避免笨重、压抑感,本结构对梁高的要求比较苛刻,跨中梁高≤1.2 m,角隅根部梁高≤3 m。设计中实际取值为跨中梁高1.1 m,高跨比为1/83.2,根部角隅处梁高2.5 m,高跨比为1/36.6,整个结构轻巧大方,犹如薄翼。
2.2结构体系——带水平拉索的钢箱截面拱形两铰门式刚架
针对本罩棚跨大梁薄的特点,结构体系选择为带水平拉索的钢箱截面拱形两铰门式刚架,较好地满足了结构的受力要求。由于结构跨度较大,建筑上常用的开口截面已不能满足结构刚度及稳定性要求,故引入了单箱多室闭口钢箱梁。钢箱梁截面形式外形简洁,抗弯、抗扭刚度大,稳定性好,超载能力强,加工速度快,可以大节段吊装,安装便捷。柱脚内收,角隅处带水平拉索的拱形刚架,既是景观要求,也是受力需要:与斜梁式门式刚架相比,坦拱内力分布更趋均匀,且结构造型优美、内部空间开阔;由于矢跨比f/L较小,坦拱结构产生的水平推力较大,刚好由设置在角隅处的水平拉索承担大部分。整个结构力的传递路线明确,受力合理。
在组合ZL1∶1.0恒载+1.0雪荷载+1.0的风荷载作用下,跨中最大挠度为121 mm,其容许值[υT]= L/400=229 mm,满足规范要求;在1.0雪荷载+1.0风荷载作用下,跨中最大挠度为45 mm,其容许值[υQ]= L/500=183 mm。上述挠度计算结果表明,这种结构体系刚度大,具备良好的超载能力。
2.3水平拉索
设计中在每榀刚架角隅附近增设了2根水平拉索,每根张拉力1 000 kN。拉索采用OVM公司所生产的新型GJ钢绞线整束挤压式拉索及其配套锚固体系。此锚固体系对钢绞线整束挤压夹持,具有锚固可靠、结构尺寸紧凑、隔离防腐和可二次张拉等优点,特别适合景观性强的建筑及桥梁工程。水平拉索的设置,既平衡了结构水平推力,也减少了跨中的下挠值,改善了结构的受力性能,具体结果可见表1。
设计将斜拉桥中常用的大吨位拉索引入建筑类门式刚架设计中,国内尚无先例。带大吨位拉索结构的设计及施工均相对复杂,其关键问题为:索的跨中垂度及锚固端偏角;无应力索长、索的张拉与锚固。
拉索水平设置,下面是密集的车流,其跨中垂度fm大小直接影响景观效果及净空,计算公式见式(1):
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式中:q为拉索单位长度自重,kN/m;L0为拉索跨度,m;α为拉索与水平线的夹角,水平时为0°;T为拉索张拉力,kN。
将各参数代入计算,可得fm= 0.133 m,扣除fm后净空大小能满足使用要求,且垂跨比为1/688,下垂的视觉感受不显著,基本可以接受。整束挤压式钢绞线拉索及锚固装置与冷铸墩头钢丝锚一样也属于拉锚式体系,其特点是锚头预先在工厂整体加工好,故设计提供的拉索下料长度必须准确,厂家要求单根拉索的容许正负误差≤3 cm。计算依据JTJ 027—1996《公路斜拉桥设计规范(试行)》,考虑了拉索的弹性伸长及垂度修正, 得到了无应力索长,即下料长度。计算公式见式(2):
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式中:Lo为长度基数,即拉索两端2个索空出口处在拉索完成后锚固面之间的空间距离;ΔLe为初拉力作用下拉索的弹性伸长修正,ΔLe=TL0/(EA),T为拉索张拉力,E、A分别为拉索弹性模量及截面面积;ΔLf为初拉力作用下拉索的垂度修正,ΔLf=q2L2xL0/(24T2),Lx为L0的水平投影,本结构中拉索水平倾角为0°,即Lx=L0;ΔLm为单根拉索两端挤压锚头中钢绞线的长度之和,由生产厂家决定;ΔLT为下料时温度与张拉索时温度不一致,应考虑温度修正,若下料温度高于张拉温度,ΔLT值为“+”,反之为“-”。本结构中若下料温度高于张拉温度10 K,则ΔLT= 8.9 mm。
拉索无应力索长计算见表2。
拉索两端通过整体焊接在刚架箱梁内的钢锚箱锚固,张拉采用YCWB250B轻量化千斤顶进行。预先在刚架角隅处外侧留直径480 mm的张拉孔,千斤顶支腿穿过张拉孔,即千斤顶本身完全布置在刚架外,挂顶及张拉均方便。张拉完成后用一块外封板将孔封闭,外封板与刚架底板采用螺栓连接,作为运营后的检修人孔。拉索在自重作用下为一悬链线,两端并非水平,而是与水平线之间有一小偏角,钢锚箱顺着拉索的切线方向,也应转动一个相同的偏角。此偏角的计算公式见式(3):
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计算可得本罩棚钢锚箱偏角为0.339 6°。
2.4刚架角隅处受力
门式刚架角隅段(梁、柱交点附近)受力复杂,外侧受拉,内侧受压,且布置有钢锚箱及人孔。设计中采用大型空间有限元程序ANSYS对刚架角隅处进行局部板壳三维分析(见图3),精确计算角隅段各板件的应力及变形(见图4),并强调转角附近的钢板(钢箱顶板、底板、腹板及加劲板)均必须整体制作(即在一块整体大钢板上按设计线形下料),确保刚架角隅段的受力安全、可靠。
2.5机械钢铰
本方案采用两铰门式刚架,而放弃了柱脚全固结门式刚架,主要基于减轻下部结构的负担、改善柱脚受力状况的考虑。试算表明,释放柱脚转动约束,大大降低了柱脚的应力值,应力约为固结条件下的30%～40%,也减少了桩顶的弯矩值及结构水平推力等,具体可见表3。机械铰构造见图5。
3结语
天津京津塘高速公路机场收费站交通流量较大,日均通行约5万辆,施工须在不中断交通且不停止收费的情况下进行,难度较大。按照设计图纸,采用了少支架大节段吊装工艺,将大量工作安排在夜间进行,并制订了详细的导行方案,确保了进度;施工中在张拉拉索及支架落架过程中全程进行了位移监测,各测点实测值与理论计算值差别较小,均在15%以内,说明结构受力状态良好。
目前,天津京津塘高速公路机场收费站新建罩棚已经顺利竣工并投入使用,包括罩棚外装修整个工期仅一个半月。实景简洁大气、轻盈秀美,与效果图吻合良好,获得了广泛好评(见图6)。
传统门式刚架的跨度有限,与预应力技术结合后将大大拓展其在大跨度结构领域中的应用。两者的结合方式有多种。
本文提出了带水平拉索的钢箱截面拱形两铰门式刚架,将斜拉桥中常用的大吨位拉索引入建筑类门式刚架设计中,水平索连接刚架两角隅处,采用千斤顶主动张拉,并设置钢锚箱锚固。水平拉索的设置,提高了上部结构刚度,降低了刚架应力,并大大减轻了下部结构负担,实际工程运用效果良好,可供类似工程借鉴和采用。
参考文献
[1]石小敏,张勇,王元清,等.大跨度索支撑实腹式门式刚架钢结构及其应用[J].工业建筑,2003,33(2):68.
[2]宿明彬,胡战波.大跨度门式刚架钢结构轻型房屋建筑之应用[J].钢结构,2000,15(1):12.
[3]张勇,王元清,石永久,等.索支撑门式刚架模型静力试验研究[J].建筑结构学报,2003,25(17):79.
大跨度拱形结构 篇5
近年来，我国社会经济的发展突飞猛进，随着经济的不断发展也致使各类建筑业的得到了空前的繁荣，一些大跨度、超高层建筑应运而生。建筑物中运用钢结构种类越来越多，厂房、住宅、桥梁、仓库、体育馆、展览馆、超市等建筑也越来越广泛运用钢结构材料。钢结构本身具备自重轻，强度高，施工快等独特优点，因此对高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度，采用钢结构更是非常理想。钢结构的快速发展，在我国取得了不少成就。第一，钢结构建筑的数量不断增加，应用范围不断扩大，如：2008年奥运主体育场“鸟巢”，世界第三高度420米的上海金茂大厦，具有国际领先水平的深圳赛格大厦72层、高度291米全部采用钢管混凝土柱，采用国产钢材、国内设计、施工的大连世贸中心，跨度216米的公路铁路两用低塔斜拉桥的芜湖长江大桥，上海宝钢大型轧钢厂房，咸阳市也建成了西北地区首座钢结构商住楼丽彩广场C座，三十二层，建筑高度98米，成为现代咸阳的标志性建筑。第二，钢结构技术不断改进。由于以前钢材使用受限制，建筑采用传统的模式，而现在出现了钢管、圆管、钢构混凝土等，要求结构的节点也随之变化，管管相接。材料上，有高强度的钢，厚板钢材，玻璃，不锈钢，钛合金。施工上也有新的工艺。钢结构在我国具有极大的发展空间，国外钢结构建筑使用钢材占钢材总量的10%左右，而中国仅占4%左右，我国的人均钢材占有量刚达到世界人均水平100千克左右，日本人均钢材占有量是400-500千克，有一定差距。现阶段我国钢结构建筑只占建筑总量不足3％的比例，发达国家已占30％～50％。我国钢结构发展具有较大的空间和潜力，伴随着建筑市场的持续发展，钢结构的发展将得到进一步的推动。中国处于全面建设的高峰期，正大量消耗着全球的自然资源。钢结构与混凝土结构相比，它环保且更利于建筑产业化的发展。钢结构建筑在现代建设中得到了越来越广泛的应用。但钢结构耐火性能低，如何提高钢结构的耐火性能对于建筑的安全性至关重要。
二、钢结构建筑火灾特点
在加热的情况下，钢材的力学性能随着温度的升高而变化。一般表现为弹性模量、屈服强度、极限强度随温度的升高而下降，塑性变形和蠕变随温度的升高而增加。在200℃～350℃时热轧钢出现所谓的“蓝脆”现象，此时钢材的极限强度提高而塑性降低，与其他温度段相比变“脆”。在500℃时，钢的极限强度和屈服极限大大降低，塑性增大。在450℃～600℃ 时，碳化物趋于石墨化和球化。石墨化的产物是由于碳化铁分解，生成游离的石墨粒的结果。如果加热的温度越高，时间越长，钢的含碳量越高，则碳化物的球化便越剧烈。存在石墨化和球化，表明钢在高温下弱化了，力学性能降低。合金材料的加入一般会使钢的上述变化需要的温度提高。试验结果表明：在200℃以内强度变化不明显，屈服强度略有下降，而极限强度基本没有变化。200℃以后屈服强度随温度升高而降低的速率开始加快。极限强度在200℃～300℃由于出现“蓝脆”而较常温下略有提高，300℃以后极限强度随温度升高明显降低。在600℃时，低碳钢的屈服强度和极限强度均只有常温时的35%～40%，而碳素钢丝的强度更低。随着温度进一步升高，在800℃时钢材的强度基本消失。同时钢材的伸长率和截面收缩率随温度升高面增大，表明高温下钢材的塑性性能增大，易于变形。此外，钢材在一定温度和应力作用下，随时间的推移会发生缓慢变形，即蠕变，蠕变会导致材料松驰。
钢材在高温下屈服点降低是决定钢结构耐火性能的重要因素，如某一钢构件在常温下受荷载作用应用值是屈服点的一半，但火灾时由于钢材在火灾高温作用下屈服强度降低，当实际应力值达到了降低了的屈服强度时就表现出屈服现象而破坏，使结构承载能力急剧下降，造成钢结构建筑物部分或全部垮塌毁坏。这类典型的火灾案例有，2001年世贸大厦被撞击后飞机携带大量的燃油向大厦底部流淌，火势迅速向下蔓延，燃烧不久，灼热的高温就通过钢结构迅速传遍整幢大楼，致使大厦承重的钢结构熔化，撞机仅57分钟南楼就彻底崩溃倒塌，而北楼也仅坚持了1小时22分钟，造成了死亡2797人、损失360亿美元的惊世惨案。2003年4月5日，青岛市即墨正大食品有限公司厂房发生火灾，在高温作用下，钢结构屋架仅仅约30分钟便轰然倒塌，导致20多名员工被埋压在厂房内遇难。目前，在建筑领域已采取了多种方式对钢结构进行保护，钢结构构件的各类防火措施也孕育而生。
二、钢结构建筑耐火性能提高方法
建筑钢结构的防火保护措施按照其防火行为来分主要分为主动防火和被动防火。主动防火主要是指水喷淋法以及消防员的灭火行为，即主动地控制建筑发生火灾的趋势。被动防火即不包括灭火行为采取其他形式提高钢结构的耐火极限的一种防火保护方法。从热量传输原理上来说，钢结构防火保护措施可以分为截流法和疏导法。
1、水喷淋法。水喷淋法是在结构顶部设喷淋供水管网，火灾时，自动启动(或手动)开始喷水，在构件表面形成一层连续流动的水膜，从而起到保护作用。
2、截流法。在构件的表面设置一层保护材料，截断或阻滞火灾产生的热流量向构件的传输，使构件在规定的时间内温升不超过其临界温度。由于选用的材料导热系数小而热容量大，可以很好地阻滞热流向构件的传输，从而起到保护作用,包括喷涂法、屏蔽法和包封法等方法。
（1）喷涂法。用喷涂机具将防火涂料直接喷在构件表面，形成保护层。喷涂法是一种最简单、最经济、最有效的做法，其价格低、重量轻、施工速度快、适用于形状复杂的钢构件，也是钢结构厂房中最常采用的防火处理方法之一。（2）屏蔽法。把钢结构包藏在耐火材料组成的墙体或吊顶内，在钢梁、钢屋架下作耐火吊顶，火灾时可以使钢梁、钢屋架的升温大为延缓，大大提高钢结构的耐火能力，而且这种方法还能增加室内的美观，但要注意吊顶的接缝、孔洞处应严密，防止窜火。（3）包封法。在钢结构表面做耐火保护层，将构件包封起来，其具体做法有：用现浇混凝土作耐火保护层，用砂浆或灰胶泥作耐火保护层，用矿物纤维作耐火保护层，用轻质预制板作耐火保护层。
3、疏导法。疏导法是先将热量传到构件上，然后设法把热量导走或消耗掉，同样可使构件温度不至升高到临界温度，从而起到保护作用。疏导法目前主要是充水冷却保护这一种方法，水冷却法是在空心钢柱内充满水，高温时，构件把外界环境中吸收的热量传给水，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走，构件的温度可维持在100℃左右。如美国的堪萨斯州银行大厦和匹兹堡钢铁公司大厦，采用的就是水冷却进行防火保护。冷却方法对于钢管柱的结构体系来说是一种非常有效的防火方法。但为了防止钢结构生锈，须在水中放入专门的防绣外加剂，冬天还须加入防冻剂而且由于对结构设计有专门的要求，所以目前实际上已很少使用。
三、钢结构防火涂料的分类及优缺点
对钢结构材料进行防火处理，其目的就是将钢结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围，其措施是多种多样的。其中，喷涂防火涂料施工方便、重量轻、成本低、不受构件几何形状限制，应用范围最广，效率最高。所以，喷涂防火涂料是一种比较常见也相对成熟的做法。目前在实际工程应用中，我国钢结构防火保护方法绝大多数是采用喷涂防火涂料。
1、钢结构防火涂料的防火原理。钢结构防火涂料的防火原理是采用绝热或吸热的材料阻隔火焰直接灼烧钢结构，降低热量向钢材传递的速度，推迟钢结构温升和强度减弱的时间。根据《钢结构防火涂料》(GB14907?2002)，钢结构防火涂料定义为施涂于建筑物及构筑的钢结构表面，能形成耐火隔热保护层以提高钢结构耐火极限的涂料。
2、钢结构防火涂料分类及优缺点。钢结构防火涂料一般可分为厚涂型、薄涂型和超薄型。目前，钢结构防火涂料代表性的产品有：国内的“SD22”“TN2LG”防火涂料，“SD21”“LB”防火涂料，“SCB”、“SCA”防火涂料。国外的产品如英国 Grace Construction Products的“Monokete Firep roofingU K26”，美国美商华人企业股份有限公司的“AD”防火涂料，德国Herberts的“Water Based 38320”防火涂料，38091型防火涂料，英国的“Nullifire”防火涂料等等。（1）厚涂型钢结构防火涂料是指涂层使用厚度在8毫米～50毫米的涂料，这类钢结构防火涂料主要由多孔绝热材料如粉煤灰空心微珠、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、石墨、矿物纤维等为骨料配以耐高温粘结剂而制成。其防火原理就是由于涂层的导热系数小，具有良好的热绝缘性，从而可在火灾中有效保护钢材不受破坏。厚涂型钢结构防火涂料的耐火极限一般为0.5小时～3小时。厚涂型钢结构防火涂料的优点：耐火极限高，可达3小时；主要组分为无机材料，耐火性能受环境影响小；原材料来源广，价格低；遇火时不会放出有毒有害气体。缺点是涂层厚、自重大，粘结力差，易剥落；表面粗糙，装饰性差；施工麻烦，水泥基涂料需养护。（2）薄涂型钢结构防火涂料是指涂层使用厚度在3毫米～7毫米的钢结构防火涂料。目前国内外所使用的薄涂型钢结构防火涂料一般均为膨胀型防火涂料。膨胀型防火涂料膨胀组分一般由脱水成炭催化剂、成炭剂和发泡剂三部分组成。膨胀型防火涂料受热时，成炭剂在催化剂作用下脱水成炭，炭化物在发泡剂分解的气体作用下形成膨松、有封闭结构的炭层，该炭层可以阻止基材与热源间的热传导，另外多孔炭层可以阻止气体扩散，同时阻止外部氧气扩散到基材表面，达到防火目的。薄涂型钢结构防火涂料的优点：涂层薄、质轻，粘结力强，干燥快；表面光滑，颜色可调，装饰性好；单位面积用量少；施工简便，抗震动、抗挠曲性强。缺点是主要组分为有机材料，遇火时可能会释放出氨、HCN、卤化氢、一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、氯、溴等有毒有害气体；还有耐久性差，存在随着环境、时间等溶出、分解、降解和老化等问题，耐火性能受环境影响大，严格意义说不能用于室外。（3）超薄型钢结构防火涂料是指涂层使用厚度不超过3毫米的钢结构防火涂料。超薄型钢结构防火涂料的防火机理与薄涂型完全一致。因目前国内外钢结构防火涂料的发展趋势是涂层超薄、装饰性强、施工方便、防火性能高、应用范围广，对涂料的粘结力和耐水性有较高的要求，因此，超薄型钢结构防火涂料一般为油性膨胀型防火涂料，本涂料除应具有较好的防火隔热性能、粘接力好、强度高，能经受高低温循环的影响外，涂层还应具有良好的耐水性、耐酸性、耐盐腐蚀性，和不易脱落，贮存稳定，装饰性好，施工方便等特点。这类钢结构防火涂料受火时膨胀发泡形成致密的防火隔热层，该防火隔热层延缓了钢材的升温，提高了钢构件的耐火极限。与厚涂型和薄涂型钢结构防火涂料相比，超薄型钢结构防火涂料粒度更细、涂层更薄、施工方便、装饰性更好是其突出特点，在满足防火要求的同时，又能满足人们高装饰性要求，特别是对于裸露的钢结构。超薄型钢结构防火涂料的优点：涂层更好、装饰性更好，兼具薄型涂料的优点，施工受环境影响小。但同样具有薄型涂料的缺点。
3、钢结构建筑防火涂料存在的问题。尽管钢结构防火涂料起着主要的作用，在钢结构建筑工程应用中充分体现了价值，但其除了自身存在的缺点外，其它方面的问题也较为明显。具体表现在生产、施工方面，国内多数钢结构防火涂料生产企业的规模不大，生产工艺流程
浅析大跨度建筑结构形式与设计 篇6
【关键词】大跨度建筑；结构形式；设计要点
随着社会的发展以及技术水平的不断提高，建筑结构形式也在不断发展与更新，为了满足社会及人们的需求，各种各样的建筑结构类型不断发展。现阶段，大跨度空间结构已成为建筑行业发展的重点。日常生活中最常见的几种大跨度建筑结构形式有五种，即网架结构、网壳结构、膜结构、悬索结构、薄壳结构，另外还有一些结构形式是在上述五种结构的基础上组合并演变的新结构形式，也正是因为这些结构形式，使当前的大跨度建筑成为城市发展中一道靓丽的风景。
一、网架结构的形式及特点
网架结构是技术人员根据某种规律将若干根杆件连接起来，从而形成一种网格结构，其中技术人员将这些网格结构组合起来形成多层结构，也就被我们称之为网架结构。其施工材料一般是由钢管或者钢材制作而成的。
1、网架结构的形式
网架结构的形式可分为以下四种：1）平面桁架结构，其中主要包括双向正交正放网架结构、双向斜交斜放网架、双向正交斜放网架结构以及三向网架结构等。2）四角锥体网架结构，其主要包括正放四角锥体网架结构、斜放四角锥体网架结构、星型四角锥体网架结构等。3）三角锥体网架结构，其主要包括抽空三角锥体网架结构、蜂窝型三角锥体网架结构等。4）正六角锥体网架结构。
2、网架结构的特点
在大跨度建筑结构中，网架结构是最常见的一种结构形式，它具有自重轻、抗震性能好、传力途径简捷等优点。在其施工过程中，网架结构施工极其简便，极容易将结构定性，可以有效的提高其工作效率，达到美观的要求。另外，这一结构在施工中还能够为后期设备的安装作铺垫，提高了其施工质量，节约了施工成本。
二、网壳结构的形式及特点
在大跨度建筑结构中，施工人员一般会采用钢筋混凝土、木材、钢材等材料进行网壳结构的施工。
1、网壳结构的形式
在实际工作中，网壳结构可以分为球面网壳结构、双曲面网壳结构、圆柱面网壳结构等多种结构形式。
2、网壳结构的特点
在对网壳结构进行设计的过程中，其组成材料自重都相对较轻。相对于其他结构形式，在保证强度的基础上，网壳结构的截面尺寸会明显的降低，由于壳体结构的外形具有合理性，因此它不仅能够合理分配内部结构的应力，还能够有效的保证其稳定性，在实际工程中，该结构虽然厚度小，但其覆盖的空间却非常大。
由于壳体结构的外形具有合理性特点，因此其刚度也非常大，该结构在实际工作中能够节约大量的施工材料，并且在整个工程中，因其厚度较小，承载力大，因此更加具有经济性的特点，提供更多的建筑空间。
三、膜结构的形式与特点
膜结构是上个世纪中期发展起来的一种新型空间结构，该结构的制作采用的是柔软的施工材料，在建筑结构设计与施工过程中，该结构是一种刚度大、覆盖面积大的结构体系。
1、膜结构的形式
根据膜结构支承方式，我们可以将其分为以下几种结构形式：1）充气膜结构。这一结构也就是在建筑工程的内部灌注一定的空气，由于屋面起拱的弯度相对较小，跨度大时，技术人员可以在建筑物四角的对角线设置相应的钢索，施加一定的应力。这一种结构形式在临时性建筑工程中比较适用。2）悬挂膜结构。在对建筑结构进行设计的过程中，设计者一般会采用桅杆将钢索以及膜材料悬挂起来，通过钢索将其绷紧与固定，从而提高屋盖的刚度。3）骨架支撑膜结构。这是以钢骨架代替了充气膜结构中的空气作为膜的支撑结构，骨架可按建筑要求选用拱、网壳之类的结构，然后在骨架上敷设膜材并绷紧，适用于平面为方形、圆形或矩形的建筑物。4）复合膜结构。这是膜结构中新的结构体系，由钢索、膜材及少量受压的杆件组成，由于主要用于圆形平面，称“索穹顶”。
2、膜结构主要特点
自重轻、跨度大；建筑造型自由丰富；施工方便；具有良好的经济性和较高的安全性；透光性和自洁性好；耐久性较差。
四、悬索结构的形式与特点
悬索结构主要由能够受拉的索构成，技术人员需要根据相关规定要求将所按照规律进行布置，从而使其形成一个结构体系。悬索屋盖结构结构的组成主要有悬索系统、屋面系统以及支撑系统三个部分构成。其中悬索系统中的悬索结构的材料一般采用的是高强钢丝，将其绑扎成一个钢丝束，这样可以有效的提高其强度与稳定性，技术人员也可以采用圆钢等材料进行绑扎与施工。
1、悬索结构形式
悬索结构按索的布置方向和层数分为：单向单层悬索结构；辐射式单层悬索结构；双向单层悬索结构；单向双层预应力悬索结构；辐射式预应力悬索结构；双向双层预应力悬索结构；预应力索网结构等。
2、悬索结构的特点
在悬索结构中，能够受拉的索通过轴向拉伸可以有效的抵抗外作用力的影响。这就可以避免悬索结构出现较大的弯矩力以及剪力效应，此时我们就可以将钢材充分利用在其中，以提高整个结构的强度。建筑结构中，悬索结构的形式具有多样化的特点，并且布置灵活性大，适用于多种建筑结构当中，另外，由于钢索具有自重轻的特点，在建筑工程安装过程中可以不利用大型起重设备，但是我们需要清楚的知道，这种结构的设计理论要比普通结构的设计理论要复杂得多，这就在一定程度影响到其应用范围。
五、薄壳结构的特点
薄壳结构在实际应用中表现出很多特点，值得我们推广应用。首先就是薄壳结构可以凭借小厚度来承担相对较大的荷载，在这方面表现出很好的强度以及刚度特点，只要能够在工程中合理利用这个特点可以为工程的安全性和稳定性以及经济性都带来很好的改善。这个特点主要来自于薄壳结构通过几何结构来增强材料的抗压性，是现代环保建筑不可多得的结构形式。
六、结束语
随着社会的发展以及人们生活水平的提高，大跨度建筑物越来越受到人们的重视，空间结构的发展必然会促进建筑行业的进一步发展。在空间结构设计的过程中，设计者首先需要根据不同的计算方法与理论将其结构进行准确的计算，在设计过程中不仅需要重视结构的外观造型，还需要重视结构受力的合理性以及工程造价等，在只有这样才能够达到现代化建设建设的要求。
参考文献
[1]张德生，李远瑛.新型空间结构在中国的应用与发展[J].嘉应学院学报，2004（06）
[2]罗德昌，梅庭玉.空间结构的发展现状与展望[J].南昌高专学报，2006（06）
弧形超高大跨度结构高架支模施工 篇7
【关键词】弧形；超高大结构；高架支模；施工技术；质量控制
国内某城市有一文化广场，其广场作为该城市的一座标志性建筑物，在建筑结构和建筑外观造型上具有着一定的独特性。该广场工程内部基本建设有主楼、裙楼以及附属建筑，共五个小区。在其现有的五个小区中，其中一个小区，即D区为影剧院。影剧院屋面工程采用了弧形超高大结构预应力混凝土梁作为其屋面的主体结构，且由于影剧院的实际占地面积大约为1687m2，属于大跨度、大空间建筑物，所以施工时必须采用高架支模进行施工。在实际施工之前，为了保证混凝土的浇注质量，保证影剧院屋面结构的施工质量，所以还需要制定一套专门的、合理可行的高架支模施工方案，以防止施工过程中的意外发生。
1.广场工程施工情况介绍
广场D区是影剧院所在的位置，影剧院屋面工程在施工中采用弧形超高大结构高架支模技术来进行施工，下面对影剧院所处环境的实际情况进行分析与介绍。
剧场东西宽37.5m，南北长45m，北低南高，呈弧形，弧顶最高点27.050m，弧面最低点17.096m，相差9.96m，混凝土总量为550m3，其中纵横向各3根混凝土预应力梁，最大跨度为30m，截面尺寸为600mm×2000mm，混凝土强度等级为C45，约151m3。
2.模板支撑及基础处理
鉴于本项工程在实际建设施工时，其架体的支设高度偏高，建筑结构及其构件体积较大，所以施工过程中的施工活荷载，以及结构构件的恒荷载都比较大，这一情况的存在便给建筑模板的支设带来了一定的难度。各方专家到现场考证之后，根据工程实际情况提出了相关意见，与此同时，工程施工设计人员通过对各种不同架体搭设方案的试算，并在结合专家意见的基础上作综合考虑，最终一致认为：模板的支撑架体应该满足施工方便、易于操作、质量易控、安全性能高以及经济合理等多项施工要求，所以最终选择采用满堂钢管脚手架支撑体系和混凝土整体浇筑相结合的施工方案。
2.1模板支架结构选型
预应力梁底与梁侧一定范围内立杆间距加密，以短横杆作排木为主龙骨，60mm×90mm方木作为次龙骨。梁板模板采用18mm厚的多层胶合板，支撑系统采用对拉螺栓*14@500mm×500mm，方木60mm×90mm，48×3.5钢管。
2.2荷载取值
由于主次梁及载荷配筋较大，设计荷载取值原则确定以600mm×2000mm预应力梁为例计算。模板支架立杆的轴向力设计值N，按不组合风荷载时，N=1.2∑NGK+1.4∑NQK（建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范5.6.2—1）。模板支架立杆的计算长度L0=h+2a，h=支架立杆的步距=1.5m，a为模板支架立杆伸出顶层横向水平杆中心线至模板支撑点的长度（规范5.6.2—3）。但该工程中立杆伸出的最上端并不是支撑点，梁板底均放在最上层水平杆上，立杆伸出部分不是受力悬臂杆，所以L0仍应按最大步距为1.5m计算。主梁混凝土截面600×2000mm，板厚130mm。
（1）荷载标准值：恒荷载为33785N/m2；活荷载为6500N/m2。
（2）荷载设计值：1.2×33785+1.4×6500=49642N/m2。按不组合风荷载计算，所以乘以折减系数0.9，可得荷载设计值为44677.8N/m2。
2.3模板支撑体系设计
以600mm×2000mm预应力梁模板支架为例进行计算，其钢管立杆间距沿梁宽方向支架间距为500mm，沿梁长方向支架间距为500mm，经验算（计算略），满足要求。
2.4基础的验算
由于该部分的架体的荷载先传递到看台楼板上，然后传给地基，看台楼板厚度为150mm，地垄墙为240mm厚，地垄墙轴线距离为2.7m。取2.7m宽1m长的面积上的全部荷载，仍取主次梁相交处最不利部位。
3.模板支架构造措施
梁底沿梁长方向水平杆接长采用搭接，搭接长度≥1m，连接扣件≥3个，均匀布置，扣件距杆端≥10cm。梁底水平横杆必须设置在梁底主节点处，该横向水平杆在梁底架体加密范围内不得有接头，且水平横杆为双扣件，以使荷载有效扩散。纵横扫地杆采用直角扣件固定在距垫板100mm处的立杆上，如遇敞开式地沟时，立杆基础不在同一高度上，必须将高处的纵向扫地杆向低处通长与立杆固定。
立杆接长采用对接扣件，不宜采用搭接，立杆上的对接扣件必须交错布置，2根相邻立杆的接头不得设置在同步内，同步内间隔一根立杆的2个相隔接头在高度方向错开的距离必须大于500mm，各接头中心到主接点的距离不大于步距的1/3。若采用搭接，应将搭接位置放在底部，且搭接长度≥1m，连接扣件≥3个，均匀布置，扣件距杆件端头≥10cm。
4.高架支模施工
4.1模板支架施工顺序
看台以下基础回填（用级配砂回填）→振捣→看台下架体搭设→架体检查→架体验收。
4.2混凝土结构施工顺序
主体结构施工顺序必须与模板支架施工配合，施工程序如下：看台上支架立杆位置放线定位→满堂支撑架体施工→架体检查验收→预应力梁、主梁、次梁底模板支撑→钢筋绑扎→侧模、板模施工→检查验收。
5.检查验收
正式施工，做好影剧院屋面工程施工的第一项工作，即检查验收。一般来说，当弧形超高大结构高架支模技术实际应用于大跨度、大空间结构建筑时，其正式施工之前需要检查和验算的主要内容包括：
结构构件质量的检查和验收：检查时，要特别注意钢管、扣件产品等相关施工材料的制作加工质量，查看其是否具有质量合格证，不具备质量合格证的产品一律不予使用；同时，还要对进场产品的抽样检测报告进行检查，保证检测报告的质量。
高架架体搭设质量的检查：架体搭设质量的检查所包括的工作内容比较多。首先，在架体进行正式搭设之前，要对建筑地基及基础工程的施工质量进行验收；其次，模板架体的搭设阶段，要对杆件设置、连接件连接方式、扣件的扭力矩以及结构构件的构造方式等作跟踪检查；再次，当模板搭设完成，进入模板支设阶段之前，要对高架架体进行验收，检查其构造措施和构件质量是否符合施工方案的规范要求；最后，进行混凝土浇筑之前，要对模板支架系统进行检查和验收，浇筑过程中，要注意随时观察模板和支架的变形情况。
6.结束语
综上所述，当前，随着我国高层或超高层建筑数量的急剧增多，建筑结构也日趋复杂，这样的发展趋势导致了建筑模板工程在搭设、施工以及使用过程中所存在的危险性也逐渐增大，进而对建筑的施工安全产生影响，极易造成施工安全事故发生。因此，这就要求我们在对一些大跨度、大空间建筑结构进行模板搭设与施工时，必须严格掌控好高架支模的施工技术和施工质量，通过全面、详细的设计编制以及精确的基础验算，实现弧形超高大跨度结构高架支模施工的顺利完成，并达到保证其结构稳定性和施工质量的最终目的。
【参考文献】
[1]李刚，李建.大跨度预应力梁结构高支模的施工[J].中华建设，2008（11）.
[2]林叶榛.高支模、大跨度模板支撑体系的设计与施工[J].工程质量，2009（07）.