探析大跨度钢结构的计算及抗震构造
摘 要：本文对大跨度结构抗震分析和控制的相关问题进行了分析，并针对大跨度结构抗震的施工进行了论述。
关键字：抗震钢结构 大跨度 天桥 大会堂
近年来，人们生活水平不断的提高，工业生产及文化、体育事业不断进步，大大增强了社会对空间结构尤其是大跨度高性能空间结构的需求。而计算理论的日益完善以及计算机技术的飞速发展，使得对任何复杂的三维结构的分析与设计成为可能。近几十年来，世界各地建造了成千上万的大型体育馆、飞机库、展厅，采用的各类空间结构，展示着优美的造型，成为一道道风景；更有无数的厂房、仓库等因为采用了空间结构，实现了经济、合理的完美统一。
1 大跨空间钢结构
习惯上，通常将空间结构按形式分为五大类，即薄壳结构（包括折板结构）、网架结构、网壳结构、悬索结构和膜结构，称为五大空间结构。其中，膜结构可分为充气膜结构和支承膜结构，前者又可分为气囊式膜结构（囊中气压为3～7个大气压，称高压体系）和气承式膜结构（膜内气压1.003个大气压左右，称低压体系），后者又可分为刚性支承膜结构（支承在刚度较大的如拱、梁、桁架、网架等支承结构上，又称骨架式膜结构）和柔性支撑膜结构（支承在脊索、谷索、边索、桅杆等柔度较大的支承结构上，又称张拉式膜结构）。在五太空间结构的基础上，平板型的网架结构和曲面型的网壳结构可合并总称为网格结构，而悬索结构与膜结构也可合并总称为张拉结构。
2 大跨空间钢结构特点
2.1自重轻，经济性好。目前大部分空间结构都采用钢材、膜材等制作，轻质高强材料的运用使结构自重大大减轻。
2.2刚度好，抗震性能好。由于空间结构具有三维受力特性，内力均匀，对集中荷载的分散性较强，所以能很好的承受不对称荷载或较大的集中荷载，整体刚度大。
2.3便于工业化生产。空间结构的构件通常在工厂中制作，在工地上可以很快地安装起来。
2.4形式多样化，功能统一。空间结构的形式丰富多彩，千变万化，个性鲜明，建筑、结构和使用功能的统一。
3钢结构稳定性设计要点
3.1钢结构布置必须从体系和各组成部分的稳定性，要求整体考虑，目前钢结构大多是按照平面体系进行设计，如桁架和框架。保证平面结构不出现平面外失稳，要求平面结构构件的平面稳定计算需与结构布置相一致，如增加必要的支撑构件等。
3.2实用计算方法所依据的简图与结构计算简图保持一致，单层或多层框架结构设计框架稳定分析，通常是只进行框架柱的稳定计算。由于框架各柱的杆件稳定计算的常用方法、稳定参数等是依据一定的简化典型情况或假设者得出的，因此设计者要能保证所有的条件符合假设时才能应用。
3.3钢结构的细部构造设计与构件的稳定计算，应一致保证钢结构的细部构造设计与构件的稳定计算相符合，对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心。
4 钢结构稳定性的分析方法
4.1静力法静力法即静力平衡法。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定：构件是等截面直杆；压力始终沿构件原来轴线作用；材料符合胡克定律，即应力与应变成线性关系；构件符合平截面假定，即构件变形前的平截面在变形后仍为平截面；构件的弯曲变形是微小的，曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。根据以上假定条件可建立平衡微分方程，代入相应的边界条件，可解得两端铰支的轴压构件的临界荷载。
4.2能量法能量法是求解稳定承载力的一种近似方法。保守体系处在平衡状态时，贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其临界状态的能量关系为：ΔU =ΔW式中 ΔU―――指应变能的增量； ΔW―――指外力功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分方程。2）势能驻值原理求解临界荷载。势能驻值原理指：受外力作用的结构，当位移有微小变化而总势能不变，即总势能有驻值时，结构处于平衡状态。表达式为：dΠ=dU-dW =0式中 dU―――指虚位移引起的结构内应变能的变化，它总是正值； dW―――指外力在虚位移上作的功。
4.3动力法处于平衡状态的结构体系，如果施加微小干扰使其发生振动，这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相反，因此干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相同，即使撤去干扰，运动仍是发散的，因此结构的平衡状态是不稳定的。
5 大跨空间钢结构施工方法
5.1 高空散装法。指在结构下部搭设满堂脚手架，脚手架铺设工作平台，将小拼单元或散架运至工作平台上，然后直接在设计位置进行拼装的方法。高空散装法分为全支架法和悬挑法两种。由于在高空拼装。垂直运输时不需要起重机或大型起重设备，但现场及高空作业量大，需要大量的支撑架材料和设备。
5.2单元块吊装法。指先把网架分割成若干单元块并在地面进行组装，然后分别由起重机吊装至高空设计位置就为搁置，再间接各单元块之间上、下弦杆和腹杆直至拼装成整体的施工方法。采用单元块吊装法施工时，由于结构的大部分焊接、拼装工作都在地面进行，有利于提高工程质量。
5.3移动支架安装法。无固定的支撑脚手架，网格结构在可移动的支撑架上进行安装，需要为支架的移动铺设轨道或平整场地。移动支安装法一般都与高空散装法联合使用。需要注意移动安装支撑架的场地或轨道是否足够平整；支架移动后，对已安装的结构部件是否设置若干固定临时支撑，以分散结构杆件内力和控制节点位移，同时也需要考虑支撑撤去时的内力改变情况。
5.4 整体提升法。指先将结构在地面整体拼装完整，然后再结构柱上安装提升设备提升结构。但是由于施工状态和施工完成状态的力学模型不同，应进行施工及竣工后结构的构建内力、节点变形、支座反力计算、合算设计的杆件截面，必要时另外作一些加固措施，并且在提升过程中跟踪结构杆件内力变化和节点位移发展。 6 大跨空间钢结构施工需注意事项
6.1焊接钢板节点。主要用于弦杆呈两向布置的各类网架，如两向正交正放网架、两向正交斜放网架以及各种类型的四角锥网架。网架中，上、下弦杆均成两向正交布置，斜腹杆或位于弦杆的竖平面内或与弦杆竖平面成45。角相交。杆件端部均在节点处相交。为使这些汇交的杆件能在节点上有效地连成一体，杆件内力得到可靠的传递，应沿杆件方向设置相应的节点板，各节点板间则以焊缝连成整体，从而形成了焊接钢板节点。这种节点与钢桁架的节点构造较为相似，有时为了增加节点的强度和刚度，也可以在十字节点板中心加设一段圆钢管，将十字节点板直接焊于中心钢管上，从而形成一个由中心钢管加强的焊接钢板节点。
6.2钢结构腐蚀处理。钢结构的腐蚀生锈害处很大，既会降低钢结构的强度和承载能力，又可能因腐蚀造成钢结构变形、断裂、垮塌，一旦引发事故就会造成巨大损失。因此，做好防腐工作是钢结构建筑的重要工作，可以选用防腐涂料来预防钢结构的腐蚀。从涂料的防腐年限、保光保色性、是否便于维修等方面进行选择，室外钢结构宜采用总漆膜厚度不小于150μm的长效防腐涂料。室内钢结构宜采用铁红醇酸底漆一度、云铁醇酸防锈漆一度、醇酸面漆两度，总漆膜厚度160μm。
6.3偶然荷载。在大跨度天桥和会堂钢结构分析中，偶然荷载主要是指地震作用。地震作用与风荷载的区别在于：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；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；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。大跨度天桥和会堂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。
参考文献：
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