浅析大跨度钢结构屋顶涉及方案

张小麒（中冶焦耐工程技术有限公司，辽宁 大连 116000）

浅析大跨度钢结构屋顶涉及方案

张小麒
（中冶焦耐工程技术有限公司，辽宁 大连 116000）

摘 要：大跨度钢结构屋顶在现代建筑中比较常见，一般都应用在会展或体育场的建设中，因其跨度非常大，因此需要大量的钢材料，并且需要设计出一个合理的屋顶形状，避免受到外界拉力等影响，一般而言，针对这种钢结构屋顶，通常会对两种方案进行研究，一是刚性结构体系方案，二是柔性结构体系方案，具体选择哪种方案，需要有关人员进行进一步的论证。本文主要通过对某一个工程概况的分析，来探讨该种屋顶涉及到的方案，仅供交流使用。

关键词：大跨度；钢结构屋顶；方案；思考

虽然大跨度钢结构屋顶的设计方案主要有刚性以及柔性结构体系两种方案，但是具体选择哪种方案，则需要进行分析论证，既要考虑到两种方案的用钢量，还应该考虑到结构体系自身的重量，此外，还需要注意材料的消耗等，只有充分的考虑到各个问题，才能选择出最为合理的方案，再加之，这个工程本身所耗费的周期非常长，因此需要认真选择，一旦选择就不能再进行更改。

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） .

[2]罗永峰，杨木旺.大跨度刚性空间结构地震反应的静力弹塑性分析方法[J]. 建筑科学与工程学报，2008（03）.

中图分类号：TU391

文献标识码：A