浅析大跨房屋钢结构建筑的结构体系

浅析大跨房屋钢结构建筑的结构体系

何敬雷

何敬雷

天元建设集团有限公司山东临沂276000

【摘要】当结构的跨度增大，结构的全部荷载中自重所占比重相应增加，因此为了提高经济效益必须减轻自重。对于大跨度结构来说，作为强度高、质量轻的钢结构就变得非常有优势。本文详细介绍了大跨度钢结构的框架结构，整合分析了多个大跨度房屋钢结构设计经验。同时归纳与分析了钢结构设计，这都对大跨度钢结构的研究设计产生积极的意义。

【关键词】大跨房屋，钢结构，结构体系

一、前言

随着社会的进步，钢结构的应用在大跨度房屋设计中越来越多。钢结构与其他材料结构相比有明显的优点，比如具有较好的塑形与韧性、较高的材料强度、减少施工期限、制作工艺简单。在工程实际应用时，在选择钢材上应该科学合理，尽量选取性价比较高以及有较高强度的钢材，在结构选取上按照其标准，合理的选取最优的结构方案；在连接处的设计中，使用最简单满足应有运动要求的力学结构。此外，实际设计钢结构时，在满足各个参数的前提下应根据实际要求做好防腐与防火的设计，因此，应该选择通用型钢结构构件，降低钢材制作流程，提高钢材实用性。

二、大跨度房屋主要钢结构划分

依据刚性差别，大跨度房屋钢结构可分为下面几种：杂交结构、柔性结构、刚性结构。这其中，可通过两种方式去获得杂交结构，其一是把柔性结构与刚性结构结合起来，其二是通过变更传统结构的特点来获得。下面我们主要探讨柔性大跨度房屋与刚性大跨度房屋。

1.柔性大跨度房屋钢结构

从受力体系方面来看，空间、竖直平面、水平层面三类共同构成柔性大跨度结构。空间受力系主要包括索弯顶、张拉集成体系、空间预张力索网格体系。竖直平面受力体系主要是预张力索桁架体系、张力弦屋架。水平面受力体系主要是张力膜结构体系和单层预张力索网体系。

2.刚性大跨度房屋结构

刚性大跨度房屋主要是由刚相架与钢梁组成，而且刚性大跨度房屋总体机构刚度是由这些钢架所决定。空间网格结构即指由规则的结构单元组成的结构，恰恰与空间结构定义相反。

预应力网架结构、组合网架结构、网壳结构、网站结构等是空间网格结构的主要形式，刚杆件组成空间网格结构，优点众多，比如较强的适用性、丰富的造型、优良的抗震性能、较大的刚度、简单方便的计算过程以及合理的受力等。

钢桁架或钢梁共同组成空间结构，在跨度较大时适宜用预拉力索增强结构的刚度，降低钢材用量。空间结构除了拥有与空间网状结构相似的优点外，还有一些其他优点如表现建筑造型更容易，结构体系更简单。与空间网状结构相比有一些缺点，如制作构成过于繁琐，较多较复杂的构件与节点类型。

三、结构设计存在的不足以及分析

1.存在的不足

因为大跨度房屋钢结构有其他材料所不具有的优越性，使得它越来越容易被人接受，跨度也逐渐加大，超过30米跨度的房屋也越来越多。但是因为钢材具有实用性以及多用型的特点，同时价格波动也大。钢梁的用量往往小于钢柱的用量，又因防火涂料昂贵，所以很多技术人员提出并使用传统型H钢屋梁或钢筋混凝土柱来代替原设计中的钢材。相关设计人员根据这些设计内容可以创新出新的设计结构体系以及新的设计理念。然而因为我国当前尚未制定专门的参数来针对这种设计，从而让这种设计在现实应用的细节上过于含糊，而给房屋的安全带来一些不必要的麻烦。所以针对这种结构，应该详细分析这种能够在实际中应用的参数极限，对其内部的受力特点做到清楚的认识，只有这样才能使整个结构更加安全合理。

2.结构计算中须考虑的问题

对于上文中提到的用传统型H钢屋梁或钢筋混凝土柱来代替原设计中的钢材的结构体系，若未设置拉杆，会使得计算过程过于繁琐，但是如果仅仅使用通常平面系的计算软件进行计算，而无视跨度的大小，就会对设计结构产生一些安全隐患。目前来说，平面杆系计算机软件进行受力分析时是在两个基本的假定的基础之上进行的。其一是平截面假定，即每个杆件受力时杆件截面保持恒定；其二是杆件互相之间的夹角不变，即在两物体实际受力时，钢柱与钢梁之间的夹角保持恒定。此假设主要为门式钢架而设，与受力简图基本吻合。而此假设不适合当下结构，也不满足受力简图。具体原因就是人字形的钢梁的推理过于繁琐，因为拱脚没有足够的抗推力或者相应的拉杆，构件产生较大的水平位移，从而导致钢梁夹角的变化，这就与上述两假设中的夹角不变假定相违背，不方便计算。此外，由于拱脚水平位移加大，钢筋混凝土产生附加弯矩，即存在二阶效应问题，而在对应的软件计算中却没有考虑到二阶效应问题。这些都是当前计算机难以解决的问题，因此计算结果可能会产生较大误差，直接使用计算机计算显然不合理，会产生许多安全隐患。

四、大跨度房屋钢结构设计要点

依据荷载类型，大跨度房屋的荷载主要由偶然荷载、可变荷载、永久荷载组成。其中，偶然荷载的代表值则通过建筑结构的使用上的特征来确定。可变荷载的代表值则根据设计目的使用组合值、频遇值、准永久值或标准值。永久荷载的代表值直接采用标准值。

1.偶然荷载

偶然荷载在分析大跨度房屋钢结构的过程中主要是指地震作用即建筑物因为地面运动而产生的一种惯性作用，是一种动力作用。其大小不仅与地面运动特性有关而且与结构的固定震动特性有关。

2.可变荷载

大跨度房屋钢结构应用中，可变荷载分为以下五种：

（一）风荷载。当空气通过建筑物时，受到阻挡，在建筑物表面形成吸力或压力。风荷载的特点主要是动力与静力，动力部分主要是脉动风，静力部分主要是稳定风，其中动脉风可以通过动力学理论知识得到，稳定风则可以通过静力学知识得到。

（二）屋面活荷载。通常情况下由屋面的水平投影面决定。屋面均布荷载采用0.5KN/m2的标准值，然而当维修程度或施工力度比较严重时，应该根据实际情况确定，或者直接在施工过程中采用特殊措施。比如屋面上人时，屋面均布荷载标准值设为2.0KN/m2。

（三）雪荷载。风向以及屋面的形状决定屋面的雪荷载，多数情况下，本雪压往往大于屋面的雪荷载，主要是因为雪花可以从屋面坡度大的曲面滑落，而当是平顶屋面时，常常被风刮下，有时屋顶雪荷载因为散热而融化，但有时会产生积雪，此时考虑选择较大雪荷载，以减少因荷载过大而引起一些不必要的麻烦。

（四）支座位移。因为位移的不均匀沉降而引起的大跨度房屋钢结构的构件内附加应力。

（五）温度作用。所谓温度应力在由于温度变化而产生的温差的前提下，因为大跨的钢结构的杆件不能自由变形，因此在杆中会产生内力。当年的最低气温或最高气温会对温差以及结构合拢后的温度有影响，所以这点必须考虑到。因此，温度应力计算需要参照空间结构的相关标准。

五、结束语

随着社会的发展，科技的进步，大跨度房屋结构设计已经成为时下的主流。大跨度房屋结构设计同时会因为人们的具体需要有了新的内涵与意义。作为一个大跨度房屋钢结构的设计成员，应该深入了解有关钢结构的发展，积极借鉴国内外有关大跨度房屋钢结构设计经验以及理念，不断充实对整个设计系统的规划，从而让大跨度房屋钢结构设计充满创新性与新颖性。

参考文献

[1]王建,武秀丽.大跨空间钢结构方案优选新方法[J].石家庄铁道学院学报.2004(02).

[2]张冰.真实、逻辑、完美——基于力学法则的新型大跨钢结构建筑造型设计研究[J].南方建筑.2005(03).