关于大跨度建筑钢结构设计问题的相关思考

关于大跨度建筑钢结构设计问题的相关思考

吕昕

云南省设计院集团有限公司，云南昆明 650228

摘要：在社会经济发展的背景下，建筑工程日新月异，设计师对于建筑的理解更加深入，主张融入大跨度空间结构，以此开阔空间，展示出优美、新颖的特色。本文将分析大跨度建筑钢结构设计，针对于实践情况加以探讨，提出对应建议。

关键词：大跨度；钢结构；设计

    随着科学技术的革新，我国的基础建筑工程取得了丰硕成果，以大跨度钢结构建筑为代表，展现出社会经济发展的情况，也迎合了当前时代变迁的趋势【1】。大跨度钢结构技术的发展节省了成本支出，同时也能为建筑提供安全保障，成为了现代化建设中备受瞩目的焦点。

一、大跨度建筑钢结构概述

大跨度建筑一般是指跨度在30米以上的混凝土建筑，2003版钢结构规范8.6.1条规定跨度60米以上的屋盖结构为大跨度屋盖结构，一般是运用在民用建筑的影剧院、体育场馆、大会堂及其他大型公共建筑。工业建筑中，则是运用至飞机装配车间、飞机库和其他大跨度厂房。大跨度建筑结构可以采用桁架、钢架或拱等平面结构以及网架、网壳、悬索结构、索膜结构等空间结构。

二、大跨度建筑钢结构设计问题

结合现阶段大跨度钢结构的整体设计水平分析，实际的问题相对明显，这些问题直接影响到大跨度钢结构设计水平的提升。作为传统的大跨度钢结构形式，网架的应用较为普遍，在建筑物中发挥出理想承载力。此类结构体系成本低廉，但是需要运用较多的杆件和节点，并不适用于造型和通透性要求较高的机场与车站等公共建筑中【2】。索膜、桁架、悬索等大跨度钢结构设计形式的独立性和新颖性相对突出，但是基本的设计方法和控制要点有别于传统形式，若是设计人员了解甚少，极易出现无从着手的情况。

变形控制是大跨度钢结构设计中的重要内容，同时也是个难点，若是设计人员忽视了相关细节，极易影响到整体质量。结合现阶段大跨度钢结构设计的情况分析，发现部分设计人员习惯采用梁柱刚接与柱脚刚接的方式控制变形，虽然这样的方法简单便捷，也能降低用钢量，但是弊端明显，主要是柱脚会出现大幅度弯曲，由此增加钢结构设计难度，也提升了设计造价。

基于上述提及到的大跨度钢结构设计问题，需要设计人员高度重视起来，在具体实践中应结合项目需求加以分析，选择最佳的设计方案，确保实践效果与预期相符。

三、大跨度建筑钢结构设计要点

（一）性能设计

大跨度钢结构设计中，设计人员应重视钢结构整体设计水平，还要明确钢结构设计标准，促使着实际的效果显现出来。在《建筑抗震设计规范》中，钢结构设计的抗拉强度、屈服强度等均有着明确规定，要求钢材伸长率不可小于20%；钢材的屈服强度实测值和抗拉强度实测值的比值不大于0.85。钢结构设计人员应该详细分析相关规定，严格按照各项要求落实工作，保证大跨度建筑钢结构更加安全与合理【3】。设计人员还要注重钢结构体系性能的设计，设计过程中应该分析建筑工程抗震能力，通过科学的估算与判断，确定钢结构变形能力，以此优化设计的最终效果。在基于性能的钢结构设计中，通过一定的结构分析计算，对不同荷载下的结构响应进行有效的预测，判断其结构性能是否满足相关性能指标。

（二）钢节点设计

钢节点设计属于大跨度钢结构设计中的重点内容，为了保证规范性和合理性，设计人员要详细分析钢节点变形能力，在明确这一指标的前提下总结钢节点位移、应变、荷载等关系。大跨度钢节点设计中，为让整体质量得以提升，设计人员要将钢节点屈服变形值与变形值之间的比例系数控制在1.2以上，这样可以避免因钢材质量不达标而引发的问题，也能强化建筑物整体安全性。另外，钢节点变形能力设计环节，设计人员还要关注弹塑性变形值，应确保钢节点的弹塑性变形值在标准范围内，让大跨度钢结构使用效果达到最佳。在钢结构节点的承载力设计环节，要让钢结构体系处于弹性阶段，然后采取适当措施增加预应力构件所拥有的安全系数。

（三）变形能力的设计

在大跨度钢结构的设计中，如果钢结构的刚度偏小，当结构体系中弹塑性的极限变形值过大时，结构体系的大变形会使结构倒塌。因此，在大跨度钢结构的设计中，钢结构体系必须同时满足变形能力及稳定承载力两方面的要求。在大跨度钢结构的设计中，钢结构体系中的构件能够达到相应的强度要求之后，想要达到相应的结构弹性的小变形指标，可以采用施加预应力、结构预起拱等措施。采用施加预应力的方法能够有效的提高大跨度钢结构的刚度;另一方方面，运用这种方法还能有效的降低其结构体系的弹塑性变形值，运用施加预应力的方法是一种可靠的将大跨度钢结构中的弹塑性变形能力及弹性同时提高的措施，在对大跨度钢结构施加预应力时，会有效的降低钢结构体系的破坏变形值，但是如果所采用的预应力过大，很容易造成钢结构的脆性破坏，因此在施加预应力的时候，应使钢结构体系处在弹性阶段，并采取适当措施增加预应力构件所拥有的安全系数。

四、大跨度建筑钢结构设计思路

（一）确定结构方案

    需要确定基本的结构方案，依照跨度和建筑功能等加以分析，选择合理、经济、可行的方案，进一步明确结构选型和结构布置。

（二）确定精准计算模型

在大跨度钢结构设计中，实际运用到的材料相对均匀，属于理想化的统一弹性体，这与当下使用的理念相吻合。另外，钢结构构件连接模型跟现实状况相符，在模型计算中运用到的公式较少，计算起来十分简易。基于此，设计人员要依照建筑情况加以判断，保证计算出精确结果，让钢结构计算模型发挥出最大的利用价值。

（三）做到整体分析

为了让大跨度钢结构设计的成果更加显著，需要重视整体分析的落实情况，这是优化设计成果的关键。在钢结构设计阶段，应该创建出与现实需求相符的模型，在此基础上呈现出理想化效果，还要兼顾“次构件”的作用。通过展现经济安全设计的宗旨，达到节省钢材、减少工程造价的目标【4】。

（四）了解节点构造

钢结构设计中最为显著的特点就是构件连接非常复杂，这是设计人员在进行设计时应该重点关注的问题。节点设计是至关重要的内容，对于结构受力状况、构件截面形式等因素均要合理判断，这样才能确定最佳的节点构造形式，保证设计计算成果更加理想。

（五）明确构件设计要点

    大跨度钢结构构件设计中，要采取合理的连接方式，截面形式也要根据具体情况分析，可采用H形和箱形。通过适当的完善构件设计方案，能够满足业主方要求，提升项目整体水平。

（六）分析稳定设计要求

钢结构和钢筋混凝土结构设计存在着明显差异，其属于稳定性较高的设计工作，在具体操作的时候，相关人员要综合判断，考虑稳定设计的标准，兼顾多个因素。设计人员需总结结构稳定性能设计和组成单元的结构设计，以此可以符合大跨度钢结构设计要求。

（七）掌控整体刚度

在钢结构实验中明确了构件截面并不是由结构强度、结构稳定性能所决定，其多是通过建筑结构的刚度状况加以掌控。在具体项目的建设中，薄壁构件呈现出的大跨度结构十分突出，要求设计工作人员在设计中全面考虑多个问题，由此达到更加理想的设计效果。

（八）优化设计施工图

大跨度钢结构设计中，施工图纸具有参考价值。为了使施工图纸呈现出更好的依据功能，设计人员应该具备较强的图纸表达能力，还要对图纸中的所有内容进行解析，展示出全方位的理解成果。根据钢结构设计出图的分类，要明确针对性主体的情况，如设计图由设计单位提供，施工详图则是通过钢结构制造公司根据设计图编制，要求设计人员与钢结构制造公司积极交流，全面分析具体问题，以保证设计需求和实际施工相符。

（九）注重设计质量

大跨度钢结构设计有着更为细致的要求，需要关注多个要领，保证设计成果与预期相符，促使着项目质量水平稳步提升。设计和制作钢结构的时候，各个组成部分都需要保证质量，这将影响到后续的投入使用。相关人员应该关注设计细节，就钢结构特殊性加以判断，确保工程质量达标。

五、结语

    大跨度建筑钢结构凭借着自身优势受到了广泛关注，也成为了近些年各大城市发展的象征性产物。为了展示出绝佳的建设效果，需要对大跨度建筑钢结构的设计过程加以把控，要采取可靠地控制措施，让大跨度建筑钢结构趋向稳定，给项目的投入使用奠定基础。通过本文的详细分析，明确了现阶段大跨度建筑钢结构的设计问题，提出了针对性实践方案，以期提供参考。

参考文献

[1]李金荣. 大跨度钢结构顶升法施工控制探讨——以福州市某综合类医院项目为例[J]. 住宅产业,2022,(12):74-77.

[2]张月楼,刘祥,张良兰,彭成波. “莫比乌斯环”环状落地大跨度拱形桁架多层钢结构设计及施工控制研究[J]. 建筑结构,2022,52(S2):513-518.

[3]陶云德,骆成生. 新型钢砂筒临时支座在连续梁体系转换施工中的应用——以某大跨度钢结构连续梁桥工程为例[J]. 工程技术研究,2022,7(20):56-58.

[4]沙峰峰,朱伟明,焦国民,彭平,胡倩茜. 81 米亚洲第一单体超大跨度钢结构廊桥整体提升施工关键技术[J]. 工程质量,2022,40(10):17-21.

[5]赵凯铭,钟畅迁. 大跨度薄腹板加劲钢箱梁承载性能试验分析——以珠海国际会展中心二期项目会议会展单体为例[J]. 工程技术研究,2022,7(18):1-3.