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高层建筑大跨度钢结构连廊设计探索单永安

发表时间：2020/12/15 来源：《基层建设》2020年第24期作者：单永安

[导读] 摘要：伴随着时代的不断进步与社会经济的快速发展，推动我国建筑工程建设数量日益增加，钢结构已经成为重要的建筑形式之一。

        山东天元安装工程有限公司山东 276000
        摘要：伴随着时代的不断进步与社会经济的快速发展，推动我国建筑工程建设数量日益增加，钢结构已经成为重要的建筑形式之一。大跨度建筑的核心是钢结构，对建筑工程质量起决定作用，因此要高度重视大跨度建筑中的钢结构设计，提高钢结构设计的合理性和严谨性，从而确保大跨度建筑工程的顺利进行。但目前大跨度建筑钢结构设计尚且存在一些问题亟待解决，不利于大跨度建筑的发展。基于此，本文主要针对大跨度建筑，具体阐述了钢结构设计要点。
        关键词：大跨度建筑；钢结构；设计要点
        引言
        大跨度建筑是当前社会上新兴的一种建筑形式，在当今社会上有着越来越广泛应用，能够更好满足当前社会需求以及人们需求。在大跨度建筑中钢结构具有十分重要的作用，属于建筑工程重要组成部分，但是大跨度建筑中钢结构与其它形式建筑中钢结构相比较而言存在一定差异，因此在对大跨度建筑钢结构进行设计过程中应当区别对待，从而进行科学合理设计，使钢结构质量得到保证。
        1大跨度钢结构的结构体系
        在设计钢结构性能时需要确定性能指标，并采取相应的设计手段及计算方法对大跨度钢结构性能加以评估，保证其性能符合具体指标。通常情况下，大跨度钢结构体系主要包括普通钢结构、空间结构、轻型钢结构体系三大类。其中普通钢结构体系主要由钢屋架结构与钢框架结构组成。空间结构架体系涵盖了网架（壳）结构、管桁架结构、薄膜结构、悬索结构等多种类型。至于轻型钢结构体系则具有金属拱壳结构、门式钢结构等形式。目前在大跨建筑工程中最常应用的是空间结构体系。架其中网架（壳）结构、管桁架结构在艺术领域中具有较大的应用空间，因其自身质量较轻且美观性较强，常在体育馆、歌剧院等建筑结构中应用，进而展示出美好的外观结构。薄膜结构在建筑结构设计环节常运用膜材对荷载力进行分担，这样可体现出轻质柔和特征，由此很多建筑师对薄膜结构青睐有加。但由于薄膜结构在设计期间跨度较大，会导致较大位移，故而设计者应注重其实用性，以免设计成果达不到预期目标。悬索结构特点是借助柔性拉索作为主要受力构件之一，它具有造型轻盈、大气美观且环保性强的优势，但在实际操作中会因其造价过高而引起设计者的深思。轻型钢结构体系中的金属拱壳结构，它实际上并不能完全体现出钢材性能，但其防水性及保温性较强，且贴合当前环保理念，故而也受到了部分设计者的一致好评。
        2高层建筑大跨度钢结构连廊设计要点
        2.1结构选型
        主体设计中，需要做好连廊钢桁架的选型工作，目前经济性及合理性最好的结构形式是采用钢桁架结构，设计中要对不同的钢桁架模型方案进行对比。在对比过程中，应重点考虑结构设计中，空间感是否充足、造价成本控制是否合理和施工作业难度问题。在连廊结构中，应关注弦杆和腹杆结构位置，并且对相关结构角度进行控制，以斜腹杆角度为例，应保持在45°，促使内部结构稳定性能达到最佳。通常设计过程中，会对腹杆和玻璃幕墙进行位置关系确认，以H型设计方案对钢桁架弦杆进行设计。高层建筑连廊设计中，应重点考虑弦杆与腹杆的位置，对相关结构的焊接质量和技术应用标准进行规范，保持连廊设计质量，提升建筑结构整体安全性能。同时，设计过程中，应关注桁架和楼板设计规范，对其中存在的技术问题进行分析，并且采取先进设计理念和质量控制措施，提升主体结构稳定性。以某连廊项目施工为例，采用了钢桁架进行设计，连廊层和屋面层的纵向梁为主要受力结构，主桁架的高度设计在16m，跨度达到80m，其中利用腹杆将桁架平均分为6个节间，节间长度控制在14m，桁架斜腹杆共计跨越三个楼层，并且其中间结构无节点，具有空间结构大的设计优势。同时，保持楼层梁主结构与直腹杆相连，提升了整体结构稳定性。应用该种设计方式，可利用支座弦杆，将承载力传递给支座结构，使得各部分受力均匀。

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因此，钢结构连廊受力合理、结构位移较小，并且节点数量也较少，但是，其造价成本相对较高，需要对设计方案进行优化，满足成本控制要求。
        2.2楼板设计
        楼板设计中，不仅需要对结构刚度和强度进行控制，还应考虑舒适度问题。在《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）第3.7.7条中规定“楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz”，同时经试验证明，人体感到舒适的频率范围为4-12Hz。例如，在某高层连廊设计经计算竖向振频在2.6Hz，未达到规范舒适度要求，因此设计将楼板厚度增加到160mm，并根据高层建筑结构设计要求，对楼板的浇筑设计做出严格要求，以双层双向配置方案，对钢筋网进行设计，同时保持钢筋配筋率大于0.25%。鉴于工程项目业主方提出的具体要求，为减轻高层建筑自身重量，以轻骨料混凝土材料对楼板进行设计，使得楼板整体竖向第一自振频率达到3.9Hz，满足第一自振频率这一要求，与《技术规程》中楼板设计舒适度要求相一致。
        3大跨度钢结构设计重点探究
        3.1准确计算，提高精度
        钢结构中使用的钢材具有显著的均匀性，是一种理想化的弹性体，当前通用的计算方式与钢结构特性有很高的契合度。同时，实际施工中钢结构的连接部件要比建模显示的情况更加吻合，因此设计人员在计算模型时使用的公式并不多，计算过程也较为简单。钢结构计算具有很高的计算精度，在施工中可靠性较高，这些都是钢结构的优势，但设计人员在进行设计时不能掉以轻心，此外公式的运用必须要采取多种算法，对各种算法得出的结果进行比较，选取最合理的算法，不仅要保证计算结果的准确性，更要通过算法之间的比较来提高设计精度，尤其是节点的计算更要精益求精，以提高钢结构的可靠性。
        3.2严格掌控整体刚度
        大量钢结构实验显示，对于很多钢结构构件的截面而言，其并非由结构强度以及结构稳定性能决定，对于结构设计而言，其主要决定因素就是建筑结构刚度情况，尤其是对于由薄壁构件所产生大跨度结构而言，其表现最为明显，这样一来，在对钢结构进行设计过程中，设计人员应当对该方面进行考虑，从而在设计上能够达到较好效果。这些设计能够与建筑需求相满足，从而保证建筑质量。在设计过程中只有保证刚性材料，才能够使工作效率得到更好提升，使施工进程得到更好保证。此外，在进行实际设计过程中，对于稳定设计也有较高要求。对于钢结构设计而言，其与钢筋混凝土几个相比，在设计安全方面存在不同。钢结构设计属于有较高稳定性的一个设计环节，在进行设计过程中，需要考虑很多方面因素，其中最常见的包括结构稳定性设计以及结构组成单位设计，另外，对于钢结构耐火性也应当加强注意，通常情况下这些建筑均具有较强腐蚀性，所以当钢结构处于150℃以上环境时，在一定建筑结构条件下，应当科学合理处理防锈问题。但是，从当前情况而言，对于防锈问题处理仍比较复杂，由于价格问题而导致在选择方面有很多不确定性存在。所以，在确定时应当依据不同结构及不同设计方法，应当对合理、适用防腐方案进行选择。
        结语
        随着现代工程技术的发展，大跨度钢筋结构的设计方法和计算方法也在不断进步，大跨度钢结构设计过程中必须以人们的需求为主要目标，设计人员也被必须注重钢结构的发展，对设计内容进行更深入的了解，积极借鉴国际先进设计经验，不断完善设计思路，优化整体结构设计，保证大跨度钢结构体系体现出新颖性和实用性。
        参考文献：
        [1]董石麟.预应力大跨度空间钢结构的应用与展望.空间结构，2019（4）.
        [2]郑孝波.支座沉降对大跨度钢结构连廊受力性能的影响分析.粉煤灰综合利用，2019（2）.
        [3]苏冠敏.大跨度钢结构连廊整体提升施工技术研究：以拉斐尔云廊项目为例.工程质量，2019（3）.