大跨度网架结构（通用12篇）
大跨度网架结构 篇1
1 工程概况
南医大体育馆屋面网架为正方四角锥网架型式,该网架投影面积为5 000 m2,网架最大跨度为69 m,网架矢高为3.3～4.2 m,网架采用螺栓球节点连接方式,安装最大单件重量为180 kg。本工程网架平面形状规则。根据本工程网架形式和结构特点,采用满堂脚手架高空散装法进行安装。
2 网架结构安装施工
2.1 螺栓球正方四角锥网架高空散装法施工
(1)工艺流程。放线、验线→安装下弦平面网络→安装上弦倒三角网络→安装下弦正三角网络→调整、紧固→安装屋面帽头→支座焊接、验收。
(2)放线、验线与基础检查。检查柱顶混凝土强度,对提供的网架支承点位置、尺寸进行复验,临时支点的位置、数量、支点高度应统一安排,支点下部适当加固,以防止网架支点局部受力过大,致使架子下沉。
(3)安装下弦平面网架。
(4)安装上弦倒三角网格。
(5)安装下弦正三角网格。
(6)调整、紧固。
(7)安装屋面支托。
(8)支座焊接与验收。
2.2 网架安装施工
网架零部件采用卷扬机和吊机提升,用全站仪对各控制节点进行中心位置控制。先对预埋件上支座中心点进行测量定位,划出中心轴线位置,用全站仪测定支座位置,螺栓固定。低端开始安装,先安装支座,再安装下弦一拼网格,依次为腹杆和上弦杆,边安装边测量定位,可用千斤顶微顶网架下弦球调节。安装时垫实下弦球,保证下弦节点不位移,同时边安装边用全站仪对各控制节点进行测量定位。
3 质量要求及控制
(1)支座定位质量控制
用仪器进行测量定位,以确保各支承点预埋板的高差、中心轴线坐标满足要求,对有超过的支承点及时修正,对定位的误差不大于2 m,对安装前各支承点与相邻支承点高差小于等于15 mm,中心偏移小于等于5 mm,对最高与最低点高差小于等于30 mm,最大中心偏移小于等于25 mm。对各预埋板采用水平仪测量,确保预埋板平整,预埋板不平度(接触缝)小于等于5 mm。对经过测量的各支承点的中心轴线都用黑线划出,高差都在埋件边上用数据标出,所有测量结果都在图纸中记录,以便安装时对构件进行适当的调整。
(2)起步架安装的质量控制
网架起步,根据现场网架宜从A-J轴中间起步,因网架跨度大,为防止一侧就位正确,一侧就位误差大,把累积误差降到最低点,起步时首先从中间往两侧顺序安装。从低端下弦开始安装,先安装支座,然后安装下弦一拼网格,然后依次为腹杆和上弦杆。边安装边测量定位,起步时要按图纸高低来垫网架下弦,确保下弦节点不位移、不超高、不偏低。网架起步下弦拼好后,把网架杆件按编号再组成锥形,腹杆对好下弦由一端往另一端进行安装,拧紧到位,这时网架已形成长的三角形,并已形成一定刚性,但这时还会有些晃动,时下弦支撑点不可松掉,应从一端把杆件按编号拼成三角锥形进行拼装,由5人在网架上按先后顺序进行高强螺栓的紧固,首先对杆件的上弦或下弦紧固,尔后才能安装腹杆,杆件安装时,可能出现扳手拧不动的现象,这时不可使猛力拧,以防止顶丝拧断,用管钳协助,必要时可用连钳,以达到紧固的目的,不允许套筒接触面有肉眼可观察到的缝隙。按顺序依次安装后,待到网架安装到一个下弦和两个上弦时,网架已形成刚性并稳固。这时下弦支撑可以不用,网架起步完成。
(3)挠度控制
为保证网架挠度控制在允许范围内,在起步时,网架下弦水平铺垫。所有杆件必须拧紧。根据现场情况,利用A-1轴及A-7～A-9轴建筑平台混凝土柱作为支撑点,使网架跨度减小,另在脚手架中间(即A-5轴)搭设一排加密承重脚手架作为网架中间支撑点,用千斤顶支撑,其他网架下弦作为辅助支撑点。在网架安装至下一个轴线并支撑时,方可卸载前一个千斤顶,卸载时一定要慢,防止网架突然下沉,使杆件扭曲变形。关键支撑点增设备用千斤顶,以备应急使用。
(4)误差控制
因为网架跨度较大,且安装方式为从一头向另一头安装,为了保证网架安装过程中的误差在规定的范围内,防止误差累积而导致最后支座位置偏移过大,应在每跨网架安装完成后进行尺寸的复核。如出现误差,应在下一跨安装过程中及时调整,以确保整个网架的安装误差在控制范围内。
4 网架支撑卸载技术
4.1 卸载应遵循的原则
网架卸载过程是使屋盖网架缓慢协同空间受力的过程,此间,网架结构发生较大的内力重分布,并逐渐过渡到设计状态,因此,网架卸载工作至关重要,必须针对不同结构和支承情况,确定合理的卸载顺序和正确的卸载措施,以确保网架安全落位。为此,要遵循以下原则和规定:
(1)“变形协调、卸载均衡”。
(2)“中间向四周,中心对称”。
(3)“分区、分阶段按比例下降”。为防止个别支撑点集中受力,宜根据各支撑点的结构自重挠度值,采用分区、分阶段按比例下降或用每步不大于10 mm的等步下降法拆除支撑点(临时支座)。
4.2 卸载总体思路
根据以上卸载原则,为了确保钢网架卸载的安全性,本方案采用“分段逐步”卸载法:
(1)分段:指网架以每三个轴线间距为一段,作为一个整体,为了确保卸载过程中各点受力均衡性,根据结构自身特性,采用每装至第四个轴线间距后,逐段卸载前面支撑点(千斤顶),并向前换位移动,同第一分段,依次类推。
(2)逐步:指对每一段卸载时,要根据千斤顶设定下降高度,分若干个卸载步骤,每次在规定时间内缓缓下降千斤顶卸载。
4.3 网架卸载施工
(1)体育馆网架卸载施工流程
以第一段为例:卸载准备→坐标复核、校正→卸载前检查→卸载A组千斤顶(同时A组千斤顶换位至第二段使用)→卸载B组千斤顶(同时B组千斤顶换位至第二段使用)→卸载C组千斤顶(同时C组千斤顶换位至第二段使用)→至第二段(同第一段,依次循环,直至所有卸载结束)。
(2)坐标复核、校正
卸载前,必须对各临时支撑点进行坐标测量复核,特别是标高复核。
(3)卸载前检查
(1)支撑点以外支撑情况:若在设计支撑点以外还有原来的临时支撑,一是对钢管支撑的,应在两侧设千斤顶顶升受力后卸去钢管支撑,再把千斤顶缓缓回落最终卸载;二是对千斤顶支撑的,建议不卸去千斤顶,而直接成为卸载时的临时支撑点;(2)支撑点支撑情况:胎架:胎架搭设是否合理、是否满足承载力要求,对明显有安全隐患的要马上处理,未处理完毕不得进行下步操作;千斤顶:千斤顶是否居中,不居中必须想办法调整到中部。(3)刻度表示情况:为了确保卸载时每步下降值在可控范围,应做好卸载刻度准备工作,首先,在临时支撑点近侧立刻度尺,对准刻度,并固定好,直到卸载完毕方可拿下,否则不允许中途拿掉;其次,直接在千斤顶上沿下落方向放出每步卸载的长度值,作为每步卸载的控制标准;最后,在千斤顶邻侧立钢管,在钢管上放出每步卸载的长度值,作为每步卸载的控制标准。
(4)卸载千斤顶(以A组为例,余同)
A1、A2两个千斤顶分别由两个工人同时负责,并同时听从总指挥的指令,控制千斤顶的下降量,每次下降10 mm,逐次下降,直至完全卸载结束(千斤顶与网架分离)。
大跨度网架结构 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。
大跨度房屋钢结构设计浅析 篇3
关键词：大跨度；房屋；钢结构；设计
中图分类号： TU 392. 5 文献标识码：A文章编号：1674-098X(2012)03(c)-0000-00
与其他材料的结构相比，钢结构具有材料强度高、结构重量轻;结构的塑性韧性较好;钢结构的制造简单施工周期短等优点。我们在进行钢结构设计时，应当从工程实际出发，合理选用钢材，选择高强度、具有较好经济指标的钢材;在结构方案选择上，应尽可能采用标准化、模数化的结构布置;在连接设计中，应选用构造简单、传力直接的节点形式，并应满足构造要求;另外，在钢结构设计中，还应保证钢结构在加工、运输、安装和使用过程中的强度、刚度和稳定性要求，并应针对钢结构的实际，满足防火、防腐的要求。宜优先选用通用的和标准化的结构和构件，减少制作、安装工作量。
1 大跨度房屋主要的钢结构划分
大跨度房屋钢结构按刚性差异以及它们的组合不同，分成三类:刚性结构(网架、网壳、空间精架)、柔性结构(索结构、膜结构、索一膜结构、张拉集成结构)和杂交结构。杂交结构既可通过刚性结构和柔性结构的有机组合获得，也可通过变更传统结构的特性得到，如拉索一网架结构、拉索一网壳、拱一索、索一桁架等。
在此我们主要讨论刚性大跨度房屋和柔性大跨度房屋：
1.1刚性大跨度房屋
刚性大跨度房屋钢结构主要是指由钢杆件或钢梁、钢柑架组成的结构，且其刚度由结构的组成和构件自身的刚度形成。当结构由规则的空间单元组成时，称为空间网格结构，否则称为空间结构。
空间网格结构主要有网架结构、网壳结构、组合网架(壳)结构及预应力网架(壳〕结构等形式，一般由钢杆件组成。具有受力合理、计算简便、结构整体性强、刚度大、抗震性能优、用料省、制作安装方便、造价经济、造型丰富、适应性强等优点。
空间结构一般由钢梁或钢析架组成，在跨度较大时还辅以预拉力索以增加结构刚度、减少用钢量。空间结构除了有与空间网格结构相同的优点外，还具有结构体系简洁、更易体现建筑造型等优点。但与空间网格结构相比，构件和节点类型一般较多，制作较为不便。
1.2柔性大跨度房屋钢结构
柔性大跨度结构的受力体系可分为竖直平面、水平层面及空间三大类。其中，张力弦屋架、预张力索衍架体系属于竖直平面受力体系;单层预张力索网体系和张力膜结构体系属于水平层面受力体系;空间预张力索网格体系、索弯顶和张拉集成体系属于空间受力体系。
2 大跨度房屋钢结构的设计要点
大跨度房屋主要按照荷载类型进行设计，其荷载主要分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载。对于永久荷载，应采用标准值作为代表值。对于可变荷载，应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。对于偶然荷载，应按照建筑结构使用的特点确定其代表值。
2.1永久荷载
对大跨度房屋结构，永久荷载主要包括屋盖结构自重和屋面覆盖材料自重。
屋盖结构的自重计算可采用经验公式或由计算机自动完成，在有擦体系中，还应计入擦条的自重。屋面覆盖材料自重主要是指屋面板、屋面保温层、找坡层及防水层等的自重。若有吊顶等装修构造或设备管道，按实际情况采用。
2.2可变荷载
作用在大跨度房屋钢结构上的可变荷载有以下几种。
（1）屋面活荷载。屋面均布活荷载一般按屋面的水平投影面计算。对于大跨度房屋钢结构，不上人屋面，屋面均布活荷载标准值采用0. 5 KN/m2，但当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用，或在施工中采取特殊措施;上人屋面，屋面均布活荷载标准值采用2. 0 kN/ m2。
（2）雪荷载。屋面雪荷载的大小主要与屋面的几何形状、朝向和风向等有关。大多数情况下，屋面雪荷载小于荃本雪压。这是因为雪可从坡度较大的曲面屋顶滑落，风可将松散的雪从平屋顶刮下，有时雪还可能被屋顶外皮的散热所融化。然而，有时也会产生积雪，如双坡屋面的背风一侧、双跨或多跨曲面屋顶的交接处等。此时必须考虑采用较大的雪荷载。
（3）风荷载当空气的流动受到建筑物的阻碍，就会在建筑物表面的法向形成压力或吸力，这些压力或吸力称为建筑物所受的风荷载。风荷载具有静力和动力作用的双重特点，其静力部分称为平均风或稳定风，动力部分称为脉动风。平均风对结构的作用可用静力学的方法求得;脉动风对结构的作用应采用动力学的随机振动理论求得。
（4）温度作用。大跨度房屋钢结构在因温度变化而出现温差时，由于杆件不能自由变形，会在杆件中产生应力，即温度应力。温差的大小与结构合拢时的温度与当地年最高或最低气温相关，在设计中应考虑。关于温度应力的计算原则按空问结构的相关规程执行。
（5）支座位移。大跨度房屋钢结构由于位移的不均匀沉降而引起结构杆件内附加应力。
2.3 偶然荷载
在大跨度房屋钢结构分析中，偶然荷载主要是指地震作用。
地震作用是建筑物因地面运动而产生的一种惯性作用，属于动力作用。它的大小既与结构的固有振动特性有关，又与地面运动的特性有关。
地震作用与风荷载的区别在于:①地震作用完全属于动力作用，而风荷载具有静力和动力作用的双重特点。②地震作用与建筑物的重量直接相关，重量越大，地震作用也越大;而风荷载主要与体型(或流形)和开洞情况关系较大。③建筑物的自振周期越长，对承受地震作用越有利，而对承受风荷载却是很不利的。
地震作用包括水平地震作用和竖向地震作用两类。一般情况下，应在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用，对于8度和9度区，还应计算大跨度房屋钢结构的竖向地震的作用。
大跨度房屋钢结构的地震作用一般可采用振型分解反应谱法计算;对于某些规则的网架和网壳结构还可采用简化计算方法;对特别重要或体型特别复杂的空间结构，应采用时程分析法进行补充计算。
结语
大跨度房屋钢结构设计是经济和社会发展的需要。当今社会经济飞速发展，人民生活水平日益提高，世界各国纷纷筹划建造更大、更高、更长的各种超大型复杂结构物。来满足人们对生活空间的追求。我们从业者在进行钢结构建筑的设计时，首先应根据建筑结构的使用年限，建筑结构的安全等级以及需要抗震建筑结构的抗震设防类别确定其基本要求。重点要依据可靠度的要求进行设计，在规定的时间，在规定的条件下，完成预定功能的概率设计。
参考文献
【1】崔佳.《建筑钢结构设计》.2010
【2】沈祖炎 陈以一 陈扬骥.《房屋钢结构设计》.2008
【3】李天.《建筑钢结构设计》.2010.
【4】张耀春.《钢结构设计》.2007
大跨度桥梁结构优化设计综述 篇4
关键词：大跨度桥梁结构,优化设计,可靠度,拓扑优化
大跨度桥梁形式多样,有斜拉桥、悬索桥、拱桥、悬臂桁架桥及其他的一些新型的桥式,如全索桥、索托桥、斜拉—悬吊混合体系桥、索桁桥等等。其中,悬索桥和斜拉桥是大跨径桥梁发展的主流。本文针对大跨度桥梁结构优化设计这一问题做了综合性的总结和归纳。
1 大跨度桥梁结构优化设计的研究现状
尽管早在19世纪中期就出现了现代意义上的结构优化设计理论,但将其应用于桥梁结构设计的相关研究却出现较晚。国外在20世纪60年代开始有了桥梁结构优化设计的研究,而我国直到20世纪70年代末才开始有这方面的研究。而对大跨度桥梁优化设计的研究却是在20世纪末大跨度桥梁飞速发展后才发展起来的,综合起来主要集中在局部优化和整体优化。
1.1 局部优化
局部最优虽不能等同于整体最优,但却有益于整体最优,并促进桥梁结构的发展。因为对局部的优化设计变量相对较少而使研究的难度大大减小,研究的深度因而能更透彻。目前对大跨度桥梁的局部结构优化研究已涉及到大跨度桥梁结构设计及施工的各个方面,主要有:加劲梁横截面的优化,斜拉索或主缆的动力优化,索力调整优化,索塔的结构优化,斜拉索和吊索锚固的优化,悬索桥锚锭的优化,桥墩及基础优化。
1.2 整体优化
大跨度桥梁都为高次超静定结构,结构复杂,设计变量多,建设和设计又涉及到多方面的因素。因此,要对其进行全面整体的优化或全过程的优化依然存在困难。这种困难不仅在于其目标函数的建立,也在于对已建立的目标函数寻求最优解的计算速度和可能性。为此,对大跨度桥梁结构的优化研究多以局部优化为主。但评价一座桥梁的优劣不是凭借局部而是要看整体效果,因此对整体的优化研究尽管有难度但依然是必须的。目前对大跨度桥梁的整体优化主要有以下几个方面:整体造价最优,整体动力性能优化,整体施工工艺优化,桥梁结构优化设计与景观优化设计相协调。
2 优化理论和方法
2.1 基于可靠度的大跨度桥梁结构优化设计
现有的大跨度桥梁结构优化理论,不论是整体优化还是局部优化,都是以容许应力法为基础建立起来的。随着现代设计理论的发展,即由传统的容许应力设计法到基于可靠度理论的半概率设计法、近似概率设计法、全概率设计法等的发展,也开始有了基于可靠度理论的桥梁结构优化设计。
事实上,由于优化和可靠度概念的本质联系,基于可靠度结构优化设计几乎和可靠度的概念同时出现。早在1924年,Forsell就开始了基于可靠度结构优化设计的研究。其发展过程可分为两个阶段:以元件可靠度或以各失效模式的可靠度为约束条件的优化设计方法和以结构系统的失效概率为约束条件(目标函数)的优化设计方法。
基于可靠度的结构优化设计,具有以下特点:
1)结构设计目标多样性。2)结构约束多重性。3)结构设计不确定性。
基于可靠度的结构优化方法按其设计变量的特性可划分为以下4个优化水平:1)截面优化,以截面尺寸作为设计变量;2)形状优化,以截面尺寸和描述形状的几何尺寸作为设计变量;3)结构优化,以截面尺寸、描述形状的几何尺寸和结构特性参数作为设计变量;4)总体优化,以截面尺寸、描述形状的几何尺寸、结构特性参数和材料参数作为设计变量。
目前,大量的研究工作处于水平:1)这一层次,在水平;2)这一层次也开展了一定的研究,而基于水平;3)这一层次的研究目前还很少涉及,水平;4)则更少。未来的研究将以系统可靠度为约束条件的结构优化方法探讨为主。
基于可靠度的结构优化理论能描述和处理桥梁结构中客观存在的各种不确定性因素,定量的分析计算安全与经济的各项指标并能很好地协调这两者之间的矛盾,这是传统的定值设计法所做不到的。因此将其应用于桥梁结构的优化设计是一个值得研究的课题。而针对具体的大跨度桥梁结构,怎样根据不同的实际情况,选择实用可行的优化模型和求解方法,还有待我们去研究。
2.2 大跨度桥梁结构拓扑优化
工程结构优化设计可以根据设计变量的类型分为3个不同的层次:尺寸优化、形状优化和拓扑优化。最近20多年来,结构优化设计的研究重点已由尺寸优化转向形状优化和拓扑优化,但对大跨度桥梁结构的优化研究大多数仍停留在尺寸优化这一层次。目前的拓扑优化方法主要有4种:离散化连续体优化准则法、遗传算法、均匀化方法、渐进结构优化技术,其中以渐进结构优化技术适用面最广。它最初是由澳大利亚的YiMingXie和GtantP.Steven提出的。因其概念简洁,计算效率高而受到广泛关注。然而许多工程都是由混凝土和钢材等材料构成的,混凝土有很高的抗压强度,而钢材抗拉性能好,实际工程中也有许多结构主要以压应力或拉应力为主,该优化方法以设计域的相关体积为目标函数,同时考虑应力、位移和频率约束。总之,大跨度桥梁结构的拓扑优化研究才刚刚开始,还有许多问题有待我们去研究。
对于大跨度桥梁结构优化设计,并没有一种特定的能适用于任何问题的优化算法,而应根据具体情况选择合理的优化算法。寻求最优解的方法,据不完全统计目前已超过300多种,大致可分为3类:数学规划法、最优准则法和仿生学法。
3 结语
根据以上分析,未来的大跨度桥梁结构优化设计研究主要应在以下几个方面加大力度:1)多目标结构整体优化设计,以期达到整体结构经济(包括建设费用和维修费用)、安全(可靠耐久)、适用(满足使用要求和行车舒适)和美观的统一,这是大跨度桥梁结构化设计研究的最终目的。2)新型大跨度桥梁结构形式的优化研究,如斜拉—悬吊混合体系桥等。这些类型的桥梁设计经验少甚至没有经验,但却是我们探索更为合理的大跨度桥梁的必经之路,因此对其进行优化设计研究就显得更为重要。3)基于可靠度理论的大跨度桥梁结构优化设计研究,目前的结构设计已普遍采用可靠度理论,基于可靠度理论的结构优化设计理论也早有研究,而将其应用于桥梁结构的研究却才刚刚开始。4)大跨度桥梁结构拓扑优化,拓扑优化目前尚处在理论探索阶段,将其应用于大跨度桥梁结构工程实际还有待开发。5)大跨度桥梁结构的动力优化,对于大跨度桥梁结构来说,动力问题至关重要,而要想跨度有进一步的突破,首先要解决的问题之一便是动力问题。6)适合大跨度桥梁结构的优化算法,大跨度桥梁结构复杂,设计变量多,根据具体的优化问题,建立有效的求解策略和优化算法,甚至对一些现有的优化算法进行改进、重组或推出新的行之有效的优化算法。7)根据优化的特点建立目标函数和约束函数的高精度近似显式。近似函数的建立将大幅度地降低结构重分析的次数,节省计算时间。
参考文献
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大跨度网架结构 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
针对大跨度公建结构设计进行分析 篇6
【关键词】大跨度；公共建筑；钢结构；设计
与其他材料的结构相比，钢结构具有材料强度高、结构重量轻；结构的塑性韧性较好；钢结构的制造简单施工周期短等优点。我们在进行钢结构设计时，应当从工程实际出发，合理选用钢材，选择高强度、具有较好经济指标的钢材；在结构方案选择上，应尽可能采用标准化、模数化的结构布置；在连接设计中，应选用构造简单、传力直接的节点形式，并应满足构造要求；另外，在钢结构设计中，还应保证钢结构在加工、运输、安装和使用过程中的强度、刚度和稳定性要求，并應针对钢结构的实际，满足防火、防腐的要求。宜优先选用通用的和标准化的结构和构件，减少制作、安装工作量。
1 大跨度房屋主要的钢结构划分
大跨度房屋钢结构按刚性差异以及它们的组合不同，分成三类：刚性结构（网架、网壳、空间精架）、柔性结构（索结构、膜结构、索一膜结构、张拉集成结构）和杂交结构。杂交结构既可通过刚性结构和柔性结构的有机组合获得，也可通过变更传统结构的特性得到，如拉索一网架结构、拉索一网壳、拱一索、索一桁架等。在此我们主要讨论刚性大跨度房屋和柔性大跨度房屋。
1.1 刚性大跨度房屋
刚性大跨度房屋钢结构主要是指由钢杆件或钢梁、钢柑架组成的结构，且其刚度由结构的组成和构件自身的刚度形成。当结构由规则的空间单元组成时，称为空间网格结构，否则称为空间结构。空间网格结构主要有网架结构、网壳结构、组合网架（壳）结构及预应力网架（壳）结构等形式，一般由钢杆件组成。具有受力合理、计算简便、结构整体性强、刚度大、抗震性能优、用料省、制作安装方便、造价经济、造型丰富、适应性强等优点。空间结构一般由钢梁或钢析架组成，在跨度较大时还辅以预拉力索以增加结构刚度、减少用钢量。空间结构除了有与空间网格结构相同的优点外，还具有结构体系简洁、更易体现建筑造型等优点。但与空间网格结构相比，构件和节点类型一般较多，制作较为不便。
1.2 柔性大跨度房屋钢结构
柔性大跨度结构的受力体系可分为竖直平面、水平层面及空间三大类。其中，张力弦屋架、预张力索衍架体系属于竖直平面受力体系；单层预张力索网体系和张力膜结构体系属于水平层面受力体系；空间预张力索网格体系、索弯顶和张拉集成体系属于空间受力体系。
2 大跨度房屋钢结构的设计要点
大跨度房屋主要按照荷载类型进行设计，其荷载主要分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载。对于永久荷载，应采用标准值作为代表值。对于可变荷载，应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。对于偶然荷载，应按照建筑结构使用的特点确定其代表值。
2.1 永久荷载
对大跨度房屋结构，永久荷载主要包括屋盖结构自重和屋面覆盖材料自重。屋盖结构的自重计算可采用经验公式或由计算机自动完成，在有擦体系中，还应计入擦条的自重。屋面覆盖材料自重主要是指屋面板、屋面保温层、找坡层及防水层等的自重。若有吊顶等装修构造或设备管道，按实际情况采用。
2.2 可变荷载
作用在大跨度房屋钢结构上的可变荷载有以下几种。
（1）屋面活荷载。屋面均布活荷载一般按屋面的水平投影面计算。对于大跨度房屋钢结构，不上人屋面，屋面均布活荷载标准值采用0.5kN/m2，但当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用，或在施工中采取特殊措施；上人屋面，屋面均布活荷载标准值采用2.0kN/m2。
（2）雪荷载。屋面雪荷载的大小主要与屋面的几何形状、朝向和风向等有关。大多数情况下，屋面雪荷载小于荃本雪压。这是因为雪可从坡度较大的曲面屋顶滑落，风可将松散的雪从平屋顶刮下，有时雪还可能被屋顶外皮的散热所融化。然而，有时也会产生积雪，如双坡屋面的背风一侧、双跨或多跨曲面屋顶的交接处等。此时必须考虑采用较大的雪荷载。
（3）风荷载当空气的流动受到建筑物的阻碍，就会在建筑物表面的法向形成压力或吸力，这些压力或吸力称为建筑物所受的风荷载。风荷载具有静力和动力作用的双重特点，其静力部分称为平均风或稳定风，动力部分称为脉动风。平均风对结构的作用可用静力学的方法求得；脉动风对结构的作用应采用动力学的随机振动理论求得。
（4）温度作用。大跨度房屋钢结构在因温度变化而出现温差时，由于杆件不能自由变形，会在杆件中产生应力，即温度应力。温差的大小与结构合拢时的温度与当地年最高或最低气温相关，在设计中应考虑。关于温度应力的计算原则按空问结构的相关规程执行。
（5）支座位移。大跨度房屋钢结构由于位移的不均匀沉降而引起结构杆件内附加应力。
2.3 偶然荷载
在大跨度房屋钢结构分析中，偶然荷载主要是指地震作用。
地震作用是建筑物因地面运动而产生的一种惯性作用，属于动力作用。它的大小既与结构的固有振动特性有关，又与地面运动的特性有关。
地震作用与风荷载的区别在于：①地震作用完全属于动力作用，而风荷载具有静力和动力作用的双重特点。②地震作用与建筑物的重量直接相关，重量越大，地震作用也越大；而风荷载主要与体型（或流形）和开洞情况关系较大。③建筑物的自振周期越长，对承受地震作用越有利，而对承受风荷载却是很不利的。
地震作用包括水平地震作用和竖向地震作用两类。一般情况下，应在结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用，对于8度和9度区，还应计算大跨度房屋钢结构的竖向地震的作用。
大跨度房屋钢结构的地震作用一般可采用振型分解反应谱法计算；对于某些规则的网架和网壳结构还可采用简化计算方法；对特别重要或体型特别复杂的空间结构，应采用时程分析法进行补充计算。
3 结语
大跨度房屋钢结构设计是经济和社会发展的需要。当今社会经济飞速发展，人民生活水平日益提高，世界各国纷纷筹划建造更大、更高、更长的各种超大型复杂结构物。来满足人们对生活空间的追求。我们从业者在进行钢结构建筑的设计时，首先应根据建筑结构的使用年限，建筑结构的安全等级以及需要抗震建筑结构的抗震设防类别确定其基本要求。重点要依据可靠度的要求进行设计，在规定的时间，在规定的条件下，完成预定功能的概率设计。
参考文献
[1]崔佳.建筑钢结构设计 .2010
[2]沈祖炎陈以一陈扬骥 .房屋钢结构设计.2008
大跨度网架结构 篇7
随着社会经济的快速发展, 在工程应用中, 钢筋混凝土结构逐渐被网架结构所代替。由于网架结构的运用, 工程量明显下降, 安装技术也得到了简化, 节约劳力、施工方便, 并且在工厂中网架的杆件和节点都可以生产。在我国, 大跨度螺栓球型网架技术也得到了快速的发展, 对大跨度螺栓球型网架进行的制作、设计、安装, 专业施工队伍都可以很好的运作。一套具有中国特色的安装技术也随着技术的不断完善而应运而生。
2 大跨度螺栓球型网架结构
螺栓球型网架属于多次超静定空间结构体系, 它改变了一般平面架结构的受力状态, 能够承受来自各方面的荷载, 是一种新型的屋盖承重结构。这种网架的优点有:网格划一、结构新颖美观、杆件规律性强、抗震性能好、整体性好、螺栓是杆件之间的唯一连接方式、空间刚度大、安装方便, 简便操作, 明确的受力等等。这种网架在餐厅、体育馆、候车室、展览厅、单层多跨的工业厂房及仓库等屋盖承重结构中广泛运用。
网架结构的优点:
(1) 耗钢量小:根据空间受力分析, 充分的利用了各杆件的材料力学性能, 受力合理。 (2) 高次超静定结构, 屋面整体的刚度均匀, 传力明确。由于传力环节少, 在变柱距后能有效地调整受力的不均衡。 (3) 抗震性能好。 (4) 建筑造型美观, 降低空间高度。网架屋面不仅减轻结构自重, 使整个屋盖轻巧, 而且矢高为钢屋架的3/5~4/5, 仓库的高度得到了降低。 (5) 网架结构抗震性能好。 (6) 网架结构规格少、杆件类型、节点简单而种类少。 (7) 网架结构工期短, 小型机械即可安装。 (8) 平面钢桁架的特点:平面受力体系 (常规的屋面体系) , 复杂的支撑体系用来保证平面外的刚度及稳定, 不能充分的发挥出支撑杆件的强度, 因而规格繁多、杆件类型、耗钢量大;节点种类复杂并且多、节点连接部分薄弱、传力路线长、应力容易集中, 抗震及抵抗行车的水平力不利。
3 高空吊装
3.1 高空吊装工艺
关于吊装工艺, 国外的吊装工艺和国内的吊装工艺存在不同, 在以前国内多采用分段吊装的方法, 而国外多采用整体吊装的方法。根据实践验证, 整体吊装方法的优点要比分段吊装的优点更多, 因此国内开始采用大型设备进行整体吊装 (包括大型的石油化工设备) 。采用分段吊装时会使施工人员高空作业的时间增加 (包括梯子、仪表等附加设备) , 使发生危险事故的概率无形中增加。整体吊装的优点是, 地面安装的效率高, 效率得到了整体提升, 工期也缩短。
大型网架结构的安装必须考虑安装环境, 在恶劣环境下施工 (如荒漠、湿地等) , 工作效率就会大大的降低。所以, 首先要进行实地考察、了解情况, 根据分段分模块的方式在厂里生产出需要的工件, 然后进行试运行和微调工作, 各项工作准备停当后, 最后到施工现场进行组装。运用这种方式能大大的降低施工现场的施工量, 工作难度降低, 因此工作效率得到了提高。
3.2 关键技术的应用
3.2.1 吊装同步性控制。
在吊装时采用的吊装机不同, 导致同步性控制的方法也有所不同。在吊车进行吊装时, 吊车必须同步缓慢提升, 每提升大约1米就要用水准仪观测约5-10分钟的平衡度, 同步的协调吊车的提升高度, 使结构单元平衡偏差小于2%, 直到提升过程结束。
为了提高提升系统的安全性, 油压传感器布置在每个提升吊点处, 主控计算机可以通过传感器, 对每个提升吊点现场实时网络监测载荷变化情况。当提升吊点的载荷有异常的变化, 则计算机会自动报警示意并自动停机。
3.2.2 测量结构应力应变。
考虑到结构整体吊装过程的可靠性和安全性, 因此, 结构中主要受力杆件的应力应变在吊装过程中应实时的监控, 对吊装过程提供科学的数据。
在吊装时, 测量所选取的监测点的应变数据, 当提升一定的距离就进行一次测量并记录应变数据。最后整理整个吊装阶段的应变数据, 并选取典型测点, 做出其应力随结构安装过程变化的曲线。
3.2.3 结构的变形监测。
在整体吊装施工中, 在对结构变形测量时, 要求将变形测量点分为三类:工作基点、基准点和变形观测点。各变形测量点的布置的要求:
(1) 设置三个以上可靠、稳固的基准点。 (2) 在有些基准点上直接对变形观测点进行测定, 因此可以不设立工作基点, 比如观测项目不多或观测条件较好的工程。 (3) 在能够反映变形特征的位置设立变形观测点。根据观测等级的要求、结构的特征以及工程地质条件等多种因素综合考虑变形测量的观测周期, 在观测过程中, 在进行调整时应该根据变形量的变化情况来决定。观测路线和观测方法在每次观测时应保证采用的相同, 观测人员及仪器和设备也应该固定。
在整体吊装过程中需要采取的安全保证措施如下:
(1) 障碍物不能在结构提升空间内。 (2) 委派专人观察钢绞线、地锚等机具的工作状况, 如果有异常直接通知控制中心。 (3) 在未被经许的情况下, 施工现场不得擅自进入。 (4) 使用液压提升时, 严禁烟火, 配备灭火设备;派专门人员负责露天放置的液压提升设备, 确保安全保卫工作。 (5) 应备有灾害天气的应急措施。
3.3 吊装管理
在国内外业界致力于保证吊装的各个细节都在可控制范围内, 为此, 各国都有相应的管理规章制度, 严格控制施工人员的资质, 吊装设备的质量要求也很严格, 相关部门严格的验证吊索的质量, 国外执行力度比国内的要好, 因此国内更应该加强管理力度。
首先对吊装人员的管理必须做好。高超的专业技术和实践经历是吊装人员必须必备的。吊装工程师的要求必须严格, 因为, 作为经验丰富的吊装工程师对吊装工程的顺利完成非常重要, 在吊装现场吊装工程师的作用是非常大的, 在吊装工程师不允许的情况下, 不能擅自改动工程的进度。
国外的雇员只选设备质量过硬、实力强的企业, 他们的自我保护意识强, 一般不考虑小型公司。在国内, 类似的企业一般是国企, 设备质量和企业规模比较高, 企业由于过度看重工程师称号, 因而工程师的实际能力并不是很强。
国外对司机、指挥员的要求非常高, 不仅要拥有相关的学历证明, 而且也要通过相关的考试。在聘用司机的时候, 需要通过严格的身体健康检查、保证操作安全以及操作中间不会出现中断现象等。对于指挥员有级别区分的 (包括一级、二级、三级) , 一级指挥员要求最高, 不仅需要拥有非常高的学历以及丰富的实践经验, 而且还要通过后期的考试。反而国内在这方面的要求没有国外严格, 门槛比较低, 因此, 需要加强相关工作的严格监督。
4 结束语
螺栓球型网架结构对安装精度要求很高, 网架结构是三维的空间结构, 由许多杆件构成, 并且按一定规律组成, 在每根端部带有螺栓, 拧入球中形成螺栓球型网架, 或者将杆件焊在球上形成焊接节点网架。此结构抗震效果好、形式稳定, 而且螺栓球型网架结构建筑具有造型美观、简洁、施工周期短等特点, 是一种常用的大跨度结构。
摘要：在工程应用中, 螺栓球型网架结构是一种常用的大跨度结构, 因此, 高空吊装工艺也成为施工团队常用的工艺方式。本文首先介绍了螺栓球型网架结构, 并介绍了其优点;其次介绍了高空吊装的工艺, 并着重介绍了吊装的相关关键技术, 包括吊装同步性控制、结构应力应变的测量、结构的变形监测;最后介绍了吊装的管理。
关键词：螺栓球型,网架结构,高空吊装
参考文献
[1]王国周, 瞿履谦.钢结构原理与设计[M].北京:清华大学出版社, 2011.
[2]刘国峰.螺栓球钢网架结构的质量检测与控制[J].福建建筑, 2012 (32) .
某大跨度建筑钢结构设计探讨 篇8
某建筑物重要类别为丙类, 工程设计的使用年限为50年。建筑结构的安全等级为二级、钢结构的耐火等级及屋面防水等级也为二级, 抗震设防烈度为6度。上部钢结构屋盖的建筑造型像一顶帽冠, 巧妙地镶嵌于整个钢筋混凝土主体结构之上。
2 结构选型及结构体系布置
2.1 结构选型
合理的大跨度空间结构形式在满足建筑功能要求的同时, 还应具有安全耐久、结构轻巧、受力合理、经济适用、造型美观等特点。根据该建筑的空间形体及平面形状, 初步可选择的结构方案有4种: (1) 空间折板网架; (2) 辐射状空间桁架; (3) 平立面转折处采用空间桁架, 顶部采用单层网壳结构, 整体形成“空间桁架+单层网壳”的结构体系; (4) 平立面转折处采用空间桁架, 顶部采用双层网壳结构, 整体形成空间管桁架-双层网壳复合结构体系。
经分析可知, 方案1显得厚重, 且影响立面采光带效果;方案2桁架汇聚中心时需进行桁架归并处理, 间断布置桁架从美观上看对顶部采光顶的视觉效果也有一定影响, 且支座反力较大;方案3视觉效果较好, 但由于顶部隆起处矢跨比很小, 只有1/13, 单层网壳的稳定问题极其突出。从美观上来讲, 方案3优于方案4, 方案4优于方案1、方案2;从用钢量要小、刚度要大、支座反力要小、稳定性要好的角度, 方案1优于方案4, 方案4优于方案2、方案3。综合分析, 最终选择视觉效果及受力性能较好的方案4, 即空间管桁架-双层网壳复合结构。经过计算比较, 综合考虑用钢量和刚度要求, 顶部网壳厚度选为2m, 桁架的转折处高度为3.3m。
2.2 结构体系布置
建筑主体钢结构是由24榀径向布置主桁架、5组环向封闭桁架与中部双层网壳组成的空间管桁架-双层网壳复合结构。为了增加屋盖结构在其平面内的整体刚度, 在桁架上弦平面布设了交叉张紧圆钢支撑体系, 使桁架与中间网壳及支撑系统共同组成了钢结构屋盖的超静定结构体系。主桁架下端铰接于混凝土看台柱上, 支承间跨度79.1m, 结构外轮廓尺寸93.9m, 双层网壳跨度44.3m。建筑屋盖钢结构平、剖面见图1。
3 荷载及工况组合
设计荷载取值。静荷载标准值:屋面板及玻璃采光顶自重0.7k N/m2, 下弦吊挂荷载0.3k N/m2, 且单点吊重不大于1.0k N;马道荷载1.2k N/m (不含马道自重) ;活荷载:屋面活荷载标准值为0.5k N/m2, 雪荷载标准值为0.0k N/m2, 二者取最大值;温度荷载:±20℃ (结构施工安装时的温度与使用过程中温度的最大差值) ;风荷载:基本风压取0.4k N/m2, 风荷载体型系数、风压高度变化系数、风振系数按GB50009-2012《建筑结构荷载规范》及经验取值;结构的风振系数取1.5, 风荷载体型系数参照GB50009-2012做以下规定:建筑顶面风荷载体型系数为-1.0, 建筑迎风墙面风荷载体型系数为+0.8, 背风墙面风荷载体型系数为-0.5, 其他位置见图2。本工程抗震设防烈度为6度。
基于以往工程经验, 在荷载组合中考虑了静荷载、活荷钢结构自重由程序自动计算。共考虑了70种荷载组合, 这里仅列出主要的荷载组合工况: (1) 1.35恒+0.98活; (2) 1.20恒+1.4活; (3) 0.7恒+1.4风; (4) 1.2恒+1.4活+0.84风; (5) 1.2恒+1.4活+0.84风+温; (6) 0.7恒+1.4风+温。由于实际屋面板材料的重量存在较大的变异性, 故在考虑风吸时, 对静荷载和活荷载的分项系数予以适当折减。
4 结构设计
4.1 结构建模计算
钢结构的计算中采用了3D3S (10.0版) 、SAP2000 (V14版) 、MIDAS/GENV.80等多个计算软件建立了有限元模型, 并对计算结果作了对比分析, 钢结构自重由程序自动计算。根据结构布置的特点, 采用了是否考虑与下部结构共同受力的2种不同计算模型。第一种为钢结构不与下部结构同时考虑的纯钢结构计算模型, 底部为固定铰支座;第二种为钢结构与下部混凝土结构同时考虑的混合计算模型, 钢结构与混凝土铰接嵌固。杆件单元选取时做如下假定:中间网壳杆件均为杆单元;对管桁架的杆件均为梁单元, 或均为杆单元以及上、下弦杆为梁单元, 腹杆为杆单元的计算模式分别进行了计算。采用SAP2000 (V14版) 进行钢结构与下部混凝土结构的混合模型计算, 混凝土强度等级为C30, 混凝土梁柱均选用梁单元。
计算分析可以得出: (1) 不同的计算软件所得的构件内力基本一致, 结构变形形状与变形量接近。 (2) 构件选用梁单元还是杆单元对设计结果影响不大, 主要原因是管桁架-双层网壳复合结构只承受节点荷载的作用, 各构件内力以轴力为主, 弯矩较小。 (3) 从荷载组合产生的内力结果来看, 本工程主体钢结构是一规则多边形结构, 活荷载不利布置组合工况不起控制作用。 (4) 网壳中央部分上弦受压, 下弦受压, 该区域的受力体现了网壳的特征, 网壳径向杆件最大压力为530k N。在网壳与桁架过渡区域附近则形成了典型的拉力环, 最大杆件拉力为110 k N。主桁架体现出L型钢架受力特征, 转折处上、下弦杆受力较大, 桁架下弦杆件最大压力为1920 k N。钢结构杆件采用Q235B无缝钢管, 中间网壳最大杆件为180×10, 空间管桁架最大杆件为351×20。杆件选用原则为应力比小于强度设计值的85%, 以保证结构有足够的安全性。钢结构中间跨度在荷载标准值组合作用下, 最大竖向位移为116mm, 建筑上部钢结构支座间跨度为79.1m, 最大的挠跨比为1/681, 满足JGJ7-2010《空间网格技术规程》中竖向变形要求。
4.2 结构振动特性
上部钢结构模型第一阶振型为整体X向平动, 周期0.8032s, 第四阶振型为整体扭转, 周期0.3991s, 扭转周期与第一平动周期的比值为0.497, 小于0.85, 满足JGJ7-2010要求;钢结构与混凝土整体模型第一阶振型为X向平动, 周期0.9961s, 第三阶振型为整体扭转, 周期0.6955s, 扭转周期与第一平动周期的比值为0.698小于0.85, 满足JGJ7-2010要求。
4.3 关键节点处理
上部网壳节点采用焊接球节点, 空间管桁架采用管管相贯节点, 弦杆截面贯通, 腹杆焊于弦杆之上。桁架弦杆变径处采用锥头进行平缓过渡, 尽量少设接头, 以达到建筑美观要求。当杆件长度无法满足要求时, 拼接节点采用全熔透等强对接焊缝, 对焊时加短衬管, 并磨平焊缝余高, 达到与被连接材料同样的光洁度。空间管桁架弦杆转折处采用焊接球节点进行处理, 最大焊接球尺寸为D550×30, 采用有限元软件ANSYS对该节点进行计算分析, 节点在设计荷载下大部分区域的等效应力不超过160MPa, 表明此种节点具有较大的安全储备。
5 结语
通过对某建筑合理的选型分析设计, 经过大量的计算优化, 屋盖结构总用钢量为461.1t, 单位用钢量为48.6kg/m2 (以展开面积计算) , 结合结构的受荷情况及支承间跨度79.1m来看, 比较经济合理。此类结构的应用也进一步表明, 通过合理的结构选型, 可将单一的网架、网壳、桁架等传统的空间结构形式替代为复合网格结构体系或其他结构体系, 实现结构形式的创新和突破, 进而提高大跨建筑结构的整体美观性、经济性和安全性。
参考文献
[1]范重, 王春光, 董京.宁波国际会展中心屋盖管桁架结构设计[J].建筑结构学报, 2003, 33 (6) :54-57.
[2]马人乐, 何敏娟.大型场馆异形钢结构屋面概念设计若干问题探讨[J].建筑结构学报, 2006, 27 (4) :61-64.
大跨度储煤结构选型设计探讨 篇9
改革开放以来, 随着我国电力事业的发展, 作为电厂储煤装置的干煤棚得到了广泛的建设与研究[1]。干煤棚结构的高度由堆煤高度以及斗轮机的作业要求决定。为保证其正常工作, 无论何种情况下干煤棚的结构下弦均不能碰撞工艺界面, 这就要求其有效使用空间的截面形状最好为梯形, 作业空间的包络线接近弧形, 而且特别应该满足一定的净空要求。因此干煤棚结构的一般特点为跨度大, 高度大, 覆盖面积大。
自20世纪90年代以来, 由于空间网格结构在经济性、施工周期、安全性能等方面体现了其独有的优越性, 因此大跨度空间网格结构被广泛应用到大型储煤结构中。
本文旨在通过对比大跨空间网格结构的各项技术经济指标, 为大跨干煤棚的设计提供参考。
2 计算模型及参数对比
本文选择了目前应用的较为广泛的三心圆柱面网壳作为主要分析对象, 分别从矢高、跨度、网格数、落地角度及上下弦支撑、网格尺寸、温度、地震等方面进行了受力及耗钢量对比。
2.1 矢高及跨度的影响
分别选择了跨度为80m、90m、100m、110m、120m五个模型, 网格尺寸为3.5m、厚度3m、长度为100m, 采用上弦支撑。对比结果如表1。
由表1可知, 在矢高相同的情况下, 随着网架跨度的增大, 矢跨比逐渐减小, 支座水平推力逐渐增大, 但单位面积的耗钢量在逐渐降低, 这说明在网架设计过程中, 应当结合地质条件及堆煤场地尺寸综合确定煤棚的矢跨比及基础形式。
2.2 网格数及网格尺寸的影响
通过网格数及网格尺寸的调整, 结合较为合理的拱曲线, 通过试算, 选择的模型尺寸及计算结果如表2。
注:所选模型跨度均为100m, 落地角度按0°考虑。
由表2可知, 在确定弧段网格数二不变的情况下, 通过调整弧段网格数一的数量可以发现, 随着弧段网格数一的增加及网格尺寸的减小, 网架矢跨比在减小, 相应引起支座水平推力增大, 理论耗钢量增加, 由以上结果我们可以得出, 在网架设计过程中, 应先初步确定网格尺寸及厚度, 试算网格数, 选择相对合适的网格总数, 并使得网格数一不大于网格数二的一半。
2.3 网格落地角度及上下弦支撑的影响
2.3.1 网壳落地角度的影响
模型在考虑落地角度影响时分别选择了-10°、-5°、0°、5°、10°五个角度, 计算结果如表3。
从表3中可以看出, 网壳在落地正角度逐渐加大时, 支座水平推力变化不大, 但杆件内力峰值明显减小, 总耗钢量有所下降, 挠度逐渐减小。因此, 在不影响堆煤总量的情况下, 可以考虑支座杆件呈一定的正角度落地。
2.3.2 网壳上下弦支撑的影响
从表4中可以下看出采用上弦支撑杆件内力峰值明显减小, 支座竖向力相当, 支座水平力上弦支撑大于下弦支撑。
2.4 温度作用
三心圆柱面网壳为多重超静定结构, 结构的整体升温及降温均会使杆件产生内力。模型考虑了温度作用与落地角度、支座抗推刚度、网壳长度等的相互关系。
注:所选模型考虑+25°温升。
从表5中可以看出, 随着网架落地角度由-10°变为10°, 温度引起的支座水平推力, 明显增大, 这主要原因是网架落地正向角度较大时, 网架水平刚度增大的缘故。随着网架支座抗推刚度的增大, 支座水平推力明显增加, 但支座抗推刚度增大到一定程度以后, 支座水平推力已变化不大, 常规的落地干煤棚的支座抗推刚度远大于100k N/mm3, 故常规落地干煤棚的支座均可按不动铰支座考虑。随着网壳长度的增加, 杆件内力峰值呈线性变化, 且长度越长, 温度效应越大, 且表现为中间靠支座附近的纵向杆件内力最大, 边缘杆件内力较小。
2.5 地震作用
干煤棚柱面网壳作为大跨空间结构, 在抗震设防烈度为Ⅶ度的地区, 当网壳结构的矢跨比大于或等于1/5时, 应进行水平抗震验算;当矢跨比小于1/5时应进行竖向和水平的抗震验算[2]。考虑到在实际工程中大型储煤结构出现矢跨比小于1/5的可能性比较小, 本文仅对矢跨比大于1/5的情况就进行讨论。模型计算按抗震设防Ⅷ度考虑, 场地按三类考虑。
模型分别从矢跨比、网壳厚度进行了对比计算, 结果如表6。
从表6中可以得出, 网壳的水平地震响应大于竖向地震响应, 而且随着其矢跨比的增大, 水平地震响应所占的主导地位更加明显。随着网架厚度的增加, 水平和竖向地震响应都有所加强, 这主要是因为网架厚度增加, 网壳整体刚度增大, 对应增大了地震响应。
3 结论
(1) 网壳在矢高一定时, 随着跨度的增加, 矢跨比减小, 支座水平推力增加, 单位耗钢量会有所降低。
(2) 网架设计过程中, 应先初步确定网格尺寸及厚度, 试算网格数, 选择相对合适的网格总数, 并使得网格数一不大于网格数二的一半。
(3) 网壳在落地正角度逐渐加大时, 支座水平推力变化不大, 但杆件内力峰值明显减小, 总耗钢量有所下降, 挠度逐渐减小。
(4) 柱面网壳采用上弦支撑杆件内力峰值明显减小, 支座竖向力相当, 支座水平力上弦支撑大于下弦支撑。
(5) 考虑温度效应时, 常规落地干煤棚的支座抗推刚度较大, 一般可按不动铰支座考虑。随着网壳长度的增加, 杆件内力峰值呈线性变化, 且长度越长, 温度效应越大, 且表现为中间靠支座附近的纵向杆件内力最大, 边缘杆件内力较小。
(6) 对于干煤棚网壳, 其水平地震响应大于竖向地震响应, 而且随着其矢跨比的增大, 水平地震响应所占的主导地位更加明显。随着网架厚度的增加, 水平和竖向地震响应都有所加强, 这主要是因为网架厚度增加, 网壳整体刚度增大, 对应增大了地震响应。
摘要：本文选择了目前应用的较为广泛的三心圆柱面网壳作为主要分析对象, 分别从矢高、跨度、网格数、落地角度及上下弦支撑、网格尺寸、温度、地震等方面进行了受力、耗钢量及变形的对比。旨在通过对比大跨空间网格结构的各项技术经济指标, 为大跨干煤棚的设计提供参考。
关键词：矢跨比,网格数,落地角度,温度效应,地震响应
参考文献
[1]罗尧治.大跨度储煤结构设计与施工.北京:中国电力出版社, 2007.
基于大跨度结构的风荷载识别方法 篇10
1 大跨度空间结构设计需要考虑的主控因素
随着新材料的利用和新工艺的发展,目前设计的大跨度空间结构常采用的结构形式主要有网架结构、网壳结构、膜结构、薄壳结构、悬索结构、组合结构等结构形式。形态各异的大跨度空间结构广泛应用于建造大型的公共建筑物,如火车站、航站楼、体育场馆、会展中心、影剧院、大型商场、工厂车间等建筑中。这类结构有些共同点,那就是质量轻,阻尼小,柔性大,自振频率较低等。因此该类结构对风荷载作用下的反应非常的敏感。那么,对此类结构的风荷载进行识别设计,成为了这类结构设计的主控荷载之一。我国又是全球少数受台风袭击最严重的国家之一,通过大量资料表明,每年在我国发生的风灾造成了众多的人员伤亡和巨额的经济损失。那么,对这类大跨度空间结构风荷载是控制结构设计的主要荷载之一。在进行结构设计前,对这类结构的风荷载进行有效的识别分析,显得非常的关键。
2 大跨度空间结构风荷载作用的特异性
风荷载的识别是进行大跨度空间结构设计、防灾减灾分析的基础。然而,长期以来我国在大跨度空间结构的理论研究方面主要侧重于静力作用下结构的分析,对大跨度空间结构在风荷载作用下的风振反应研究较少。在进行结构设计时使用的风振系数,这些系统往往来源于对高层和高耸结构的风荷载研究中获得。由于大跨度结构与高层和高耸结构的差异性,可以说通过这种方法获得的风振系数精度不高,甚至有些与大跨度空间结构的风振效应甚至是矛盾的。为了能保证结构的安全性,设计人员会选择一个很保守的定义风振系数的数值,这样设计的大跨度空间结构很难实现经济的效果,甚至有可能还会为将来结构的安全埋下了隐患。总的来说,大跨度结构与高层和高耸结构的风荷载差异性体现在如下几个方面。
(1)风荷载作用下的结果不同。高层建筑,由于结构层间刚度及整体刚度均很大,那么这类结构在风荷载作用下一般不会出现局部失稳问题,那么这类结构的风荷载设计时,重点放在分析其结构强度及整体变形;对高耸结构而言,虽然整体刚度较小,但是在风荷载作用下,其振动具有很明显的一维特性,结构以顺风向和横风向的振动较为明显,其设计与分析也相对简单一些;对大跨空间结构,此类结构对风荷载作用非常敏感。结构在风荷载作用下表面的风压分布不均匀,甚至有可能使结构出现动力失稳问题。
(2)风荷载作用下分析的维数不同。对于大部分高耸结构、高层建筑结构等,这类结构设计时大多可简化为一维受力结构体系。大跨度空间结构,进行风荷载的设计,通常要在时间、空间上全面的分析,其作用是三维的。
(3)空间相关性不同。对高层、高耸建筑而言,其高度尺寸远远大于其他方向尺寸,设计时只考虑沿建筑物高度方向的风荷载的相关性,但是设计的大跨度空间结构,其在长、宽、高三个方向的尺寸非常的接近,必须考虑三个方向风荷载的空间相关性。
(4)结构分析的节点多。为了增大结构的跨度,大跨度结构内部杆件与杆件之间存在很多节点,其表面体型的复杂性,也决定了结构风荷载在结构不同节点处风荷载分布的不均匀性,所以要对每一个节点周围处的风荷载进行时域、空间的分析才显得有意义。
3 常用的大跨度空间结构风荷载识别方法
现代主要是通过研究自然界中的风与建筑物和构筑物的作用效应,来进行结构风荷载的研究。换句话说,结构风荷载研究的重点就是对风与建筑物和构筑物产生的作用效应分析,也就是对这类结构的风荷载效应进行有效的识别。如已经形成的理论有:近地风的紊流效应、钝体空气压力,以及由风荷载引起的结构的风致振动及风振控制的研究。按照建筑物在风荷载作用下的效应不同,结构风荷载的研究可以分为两个方面,一是针对高层建筑的风荷载识别方法,二是适用于大跨度结构的风荷载识别方法。
随着建筑行业的飞速发展,较好的解决了高层结构风荷载识别分析的问题。在高层建筑风荷载识别方面,已形成了基于结构弹性、线性和拟定常气动力理论的风荷载识别方法。但由于大跨度结构风荷载的特殊性,这些方法无法直接用于大跨度结构风荷载的识别。目前常用的基于大跨度空间结构的风荷载识别方法主要有几下几种。
(1)风洞试验方法。风洞试验可以分为两大类,分别是刚性试验模型和气动试验模型。基于刚性模型的风洞试验一般只需要精确的模拟建筑的外形,通过外形反应结构的动力特性;基于气动模型的风洞试验需要综合考虑结构物的外形、结构的刚度、质量分布以及阻尼特性这些反应结构动力特性的参量。通过在风洞试验模型的建立中考虑这些动力特性参量,以达到有效的识别风荷载。一般情况下,不做特殊要求的,大部分大跨度空间结构的风洞试验选用的是刚性结构模型。通过风洞试验,收集结构测点的风荷载数据资料。利用计算机辅助软件功能,可以提高风洞试验数据采集技术的效率。目前利用计算机控制下的多通道压力测量系统,可以同时进行几百个测点的瞬时脉动风压的收集。收集到的测点风压资料,利用神经网络法和加权的本征正交分解法对原始风压数据资料进行重组。分析前几阶本征向量的物理意义以及其对风荷载的贡献,通过前几阶起控制作用的本征模态风荷载信息,可以很迅速实现对风荷载的识别。
(2)数值模拟计算方法。该方法将流体力学理论(CFD,Computational Fluid Dynamic)和计算机模拟技术结合起来,可以通过计算机对风荷载进行模拟识别,虚拟模拟出结构表面的风压场分布并由此进一步计算出出结构表面的风荷载。随着计算机模拟技术的普及应用和数值分析方法的深入运用,风荷载的数值模拟理论计算方法取得很大发展。在各种模拟方法中,以Monte.Carlo法和Orthogonal Decomposition法应用较多,两种方法中Monte.Carlo法更具优势。因此,工程上通常以Monte.Carlo法为基础,结合Fourier变换和滤波方法,可以从不同的角度用随机过程模拟风速、不同的脉动风速谱或风压时程。
(3)现场实测方法。其通过在屋面上布置传感器,用来测量大跨度结构表面的风压以及结构响应,从而达到对风荷载进行识别,其基于在现场直接测量分荷载。
以上几种方法,相互之间可以实现补充,另外也可以相互进行检验,其中以风洞试验方法应用为主。但是该方法也存在不足,该方法的准确性很大程度上受到测点布置方案的影响;数值模拟方法,由于其采用虚拟的手段模拟风荷载,识别风荷载。因此其可靠性和精确性还有待进一步检验;现场实测方法但由于该方法需要进行现场实测,该方法的可行性受到很大的限制,另外在实测过程中需要布置仪器,占用较长时间,因此目前该方法运用较少。
4 基于集成的数值模拟引导下的风洞试验研究方法
虽然风洞试验是研究大跨度结构风荷载的主要方法,然而风洞试验过程中也有其不足之处。由于试验之前尚不清楚结构表面的风荷载分布,那么测点的布置方案,试验的周期安排只能靠研究人员根据经验来确定。特别是对于造型复杂的大跨度空间结构,很可能会出现观测点的数据采集周期,以及测点布置方案不太合理,导致风洞试验下无法对风荷载进行有效的识别,体现在无法收集到准确反应结构风荷载效应的参数和风荷载分布参数。影响风荷载识别精度,给后面结构抗风设计带来安全隐患。
在工程上可以将数值模拟和风洞试验两种研究方法集合起来,发挥其各自的优势,即形成了基于“数值模拟引导下的风洞试验”方法来进行风荷载的识别。首先利用数值模拟方法,虚拟出结构表面的风压分布。该虚拟得到的风压分布趋势,可以用来确定结构表面的最不利的风压力分布区域。其确定的最不利风压分布,可以用来辅助工程人员在风洞试验中优化测点的布置方案、指导试验周期的安排,提高风洞试验的精确度。
摘要：具有质量轻,柔性大的大跨度结构,在风荷载作用下十分敏感。因此,对此类结构的风荷载识别,成为了这类结构设计的主控荷载之一。目前可以用来对大跨度空间结构的风荷载进行识别的方法主要有以下几种,风洞试验,数值模拟计算和现场实测。但是这些方法都存在一些不足,采用数值模拟引导下的风洞试验方法,可以提高风洞试验的精确度,这是一种较有效的进行风荷载识别的方法。
关键词：大跨度结构,风荷载识别,风洞试验,数值模拟
参考文献
[1]GB 5009——2001建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[2]程志军,楼文娟,孙炳楠等.屋面风荷载及风致破坏机理[J].建筑结构学报,2000,21(14).
弧形超高大跨度结构高架支模施工 篇11
【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）.
浅析大跨度钢结构屋顶涉及方案 篇12
一、工程概况
某市国际会展中心位于该市西南部, 该国际会展中心将是集国际会议, 办公, 购物, 休闲, 娱乐为一体的综合性建筑。功能复杂, 建筑造型新颖别致。其中主体结构国际会展中心, 跨度很大, 近220m, 对设计, 特别是结构设计提出了巨大的挑战。结构体系的合理与否, 不仅是决定工程造价的关键因素之一, 而且直接决定着建筑意图与功能能否实现。
二、大跨度钢结构屋顶结构体系的设计
依据上述工程概况, 设计人员认为以力学原理为依据, 将其屋顶的整体结构进行简单的设计, 这主要体现在其传力途径上十分简单, 但是这种设计理念与传统的建筑设计理念有些冲突, 经过严格的论证, 设计人员最终使用一个220m梭形体、一个50m的梭形体, 将两者形成一个蝴蝶形状, 这两个梭形体都有最主要的组成部分就是巨形拱, 其呈现出来的形状是蚌壳, 其脊背在下方面, 而其口却朝上, 站在侧面的角度来看, 其主要呈现出来的是倒人字形。
为了使其能够构成蝴蝶, 并且保证其两个梭形体保持一定的距离, 因此设计中重点就是如何保持整体侧向水平刚度, 此外, 两个梭形体如何能够坚实牢固的联结起来, 也成为设计人员需要解决的现实问题。梭形体横切面主要是以下悬线的方式存在, 而其纵切面则是以上凸圆弧线的形式存在, 采取哪种方案, 更具有综合优势, 确保工程顺利进行, 下文笔者将进行研究。
三、大跨度钢结构屋顶方案的几点思考
从工程概况以及结构体系中, 可知该工程属于大跨度屋顶, 这种屋顶应该采取哪些方案来进行设计呢?
1刚性结构体系
这是设计人员经过研究论证所设计出来的第一种方案, 该方案中4个巨拱作为空间钢桁架, 将其与地面进行铰接, 其主要的功能是承受压力, 这种结构形式即作为该建筑屋顶的竖向支撑体系。此外, 侧面幕墙作为屋顶的悬挂体系, 幕墙结构构件悬挂与大地进行铰接, 其主要的功能是抵抗水平风载, 而且这种设计对稳定结构有着积极的作用, 屋面结构主要由工字钢以及斜巷支撑杆构成, 前者处于横向位置, 而后者处于处于纵向位置, 两者相结合, 构成屋曲面网架, 其空间性非常强。
巨拱曲线形状要想达到预期的效果, 需要做到两方面, 一是建筑造型应该满足功能空间要求, 二是结构受力应该达到标准要求, 经过研究发现, 巨拱曲线形状分别为椭圆形以及悬链条线形状能够达到预期效果, 因为这种两种形状不但可以使不同的断面均匀的受到压力, 但是为了做到上述两点要求, 设计人员最终决定, 将其形状曲线确定为抛物线以及圆弧两者之间的某一个曲线。设计人员利用有限元程序展开了研究, 需要考虑结构竖向以及横向荷载的问题, 因为该地区的不属于地震多发区, 而且其本身也属于抗震防烈度区, 因此并不需要对抗震性进行过度的考虑。
经过研发分析, 可以得出使用方案一的相应的结果, 首先, 因为屋顶跨度达到了220m, 这属于大跨度, 在这一跨度下, 解决结构自重的问题是其重点。如果使用这种方案, 其钢用量非常多, 其用量多, 则屋顶的整体重量就会增加, 因此导致结构变形情况的出现。如果使用钢数量适当的减少, 结构变形自然会降低, 屋顶整体的重量也会下降, 施工周期也会适当的缩短, 但是屋顶结构的抗风等各项性能都会所有下降。为了取得最佳的效果, 设计人员最终决定使用钢量为120kg/㎡的位置作为一个平衡点, 将其所能出现的位移控制在1/300以下。
其次, 屋顶两侧的玻璃幕墙, 选择使用悬挂法作为重要, 因为这种方法不仅可以将巨型桁架充分的利用起来, 同时减少了幕墙骨架的拉弯受力, 继而可以降低用钢量;再次, 幕墙骨架可以起到稳定屋顶整个结构体系的作用;最后, 如果屋顶结构空间受力十分清晰, 这不仅减少杆件截面, 进而减少用钢量的使用, 作为重要的是能够完全满足屋面各方面的功能要求。
2柔性结构体系
这种结构体系与刚性结构体系有很大的差异, 其利用大拱作为整个支承体系, 之后由承重索以及拉索两者相结合共同形成几何体系, 而且该体系应该具备不变的性能, 该方案设计人员主要是使用有限元程序进行研究分析。
针对这个方案设计人员做出了如下假定:首先, 拱角使用铰接, 其次, 应该按照初应变施加的方法来计算索的预应力, 但是在计算时应该考虑有可能存在大变形的情况;最后, 加载的顺利应该明确, 依据工程特点, 应该首先添加结构自重, 再添加索的预应力, 最后一步是添加恒载等。
经过对索网结构进行布置和反复计算, 发现由于外拱平面外的变形使结构发生很大位移, 屋面稳定索中的预应力消耗巨大, 幕墙索中的应力又分布极不均匀, 这些因素造成结构材料的浪费。在内外拱之间设置两根刚性联系梁后, 可缓解应力集中, 减小结构位移。用钢量控制在240kg/m2左右。如果拱采用钢筋混凝土, 结构用钢量可降为180kg/m2左右。
结语
综上所述, 可知这两种结构体系都有其自身的优势与劣势, 但是从综合角度来考虑, 刚性结构体系更适合应用在本工程中, 虽然该结构体系的施工难度比较大, 但是相比较而言, 柔性结构体系的用钢量大, 采取的支座反力影响都非常大, 而且其是施工难度并不简单, 因此综合比较, 刚性结构更适合, 但是在具体的应用过程中, 应该尽可能的趋利避害, 做好预防措施。
参考文献
[1]熊仲明, 曹欣, 韦俊, 王军良.大跨度多弧形钢拱结构的受力性能试验与分析研究[J].土木工程学报, 2010 (01) .