钢结构在大跨度建筑中的应用与设计

王军

摘要：在大跨度建筑中，钢结构具有重量轻、强度高、可塑性好等优点，越来越受到人们的关注。文章主要论述了钢结构在大跨度建筑中的应用与设计，以及钢结构在大跨度建筑中的施工、维护和管理等，首先介绍了大跨度建筑的定义、钢结构在大跨度建筑中的优点和大跨度钢结构的分类，其次重点阐述了钢结构设计的基本原则、大跨度钢结构的设计方法和钢结构节点设计的要点，同时对钢结构的安全评估和检测、维护方法和管理制度进行了探讨，并结合实例进行了案例分析。

关键词：钢结构  大跨度  建筑工程  应用与设计

中图分类号：TU356    文献标识码：AApplication and Design of Steel Structures in Long-Span Buildings

WANG Jun

（Gansu Tianshui Green Prefabricated Building Industry Development Co.， Ltd.， Tianshui， Gansu Province， 741000 China）

Abstract： In large-span buildings， steel structures have the advantages of light weight， high strength and good plasticity， and have attracted more and more attention. This article mainly discusses the application and design of steel structures in large-span buildings， as well as the construction， maintenance and management of steel structures in large-span buildings. Firstly， this article introduces the definition of large-span buildings， the advantages of steel structures in large-span buildings and the classification of large-span steel structures. Then it focuses on the basic principles of steel structure design， the design methods of large-span steel structures， and the key points of steel structure node design， discusses the safety assessment， detection and maintenance methods， and management systems of steel structures， and conducts a case analysis with examples.

Key Words： Steel structure; Large span; Building engineering; Application and design

隨着城市化进程的不断加快，越来越多的大型建筑如桥梁、体育馆、会展中心等应运而生，这些建筑不仅要求具有良好的建筑美学效果，还需要具备强大的承载能力和耐久性。钢结构作为一种轻量化、高强度的建筑结构，因其优异的性能被广泛应用于大跨度建筑中。

1 钢结构在大跨度建筑中的应用

1.1 大跨度建筑的定义

跨度建筑是指跨度在50 m以上，甚至可以达到几百米以上的建筑结构，其中钢结构在大跨度建筑中的应用非常广泛。与传统的建筑形式相比，大跨度建筑具有大跨度建筑的跨度较大、大跨度建筑的设计形式多样、大跨度建筑的结构复杂度较高、大跨度建筑具有较高的经济效益和社会价值。钢结构作为大跨度建筑中应用最为广泛的建筑材料之一，在未来的建筑领域中将继续发挥重要的作用。

1.2 钢结构在大跨度建筑中的优点

首先，钢结构具有较高的强度和刚度。相比传统的混凝土或砖木结构，钢结构可以采用更加轻薄的构件，在保证建筑稳定的同时减少了建筑重量，节省了建筑材料。其次，钢结构具有较好的可塑性和可靠性。钢材的塑性变形能力比混凝土等材料更高，具有较好的抗震和抗风性能，能够有效提高大跨度建筑的安全性和可靠性。再次，钢结构的施工效率较高。钢结构构件可以在工厂中预制完成，然后在现场进行组装，减少了现场施工时间和人力成本，也减少了现场的噪音和污染。最后，钢结构的设计灵活性较高。钢结构可以采用各种不同形式和结构的构件进行组装，从而满足不同的建筑設计需求，使得大跨度建筑在结构形式和美学设计方面更加多样化。

1.3 大跨度钢结构的分类

大跨度钢结构是指在建筑领域中用于跨度大于50 m的建筑结构，可以分为以下几种类型。第一，空间网架结构。空间网架结构是一种由钢杆或钢管等构件通过节点连接而成的空间结构，通常采用三角形或四边形构成，具有轻量化、刚性好、可塑性强等优点，常用于大型展馆、体育场馆、会议中心等建筑。第二，悬索结构。悬索结构是一种由一根或多根悬索支撑整个建筑物的结构，通常由大型钢缆、锚杆和吊杆等构成。该结构具有灵活性强、耐风性能好等优点，通常用于桥梁、航站楼、体育场馆等建筑。第三，桁架结构。桁架结构是由许多直角三角形单元组成的结构，由斜杆、梁和节点等构成。该结构具有结构稳定性好、抗震性能强等优点，通常用于大型跨度的体育馆、展览馆、厂房等建筑。第四，空间桁架结构。空间桁架结构是一种由大型桁架单元组成的空间结构，主要由斜杆、梁、节点等构件组成，具有稳定性好、刚度高、抗风能力强等优点，通常用于大型建筑物的屋盖和墙面等。

1.4 大跨度钢结构的应用案例

随着钢结构技术的不断发展和应用，越来越多的大跨度建筑开始采用钢结构作为主要的结构材料，下文主要论述典型的大跨度钢结构应用案例，这些案例展示了大跨度钢结构的应用范围之广和多样性，证明了钢结构在大跨度建筑中的独特优势和巨大潜力。

1.4.1 北京国家体育场（鸟巢）

北京国家体育场是2008年北京奥运会的主场馆之一，也是一座著名的大跨度钢结构建筑。它由全球著名的建筑师雅克·埃里克·布鲁曼设计，建筑面积约为258 000 ㎡，最大跨度为332.6 m。该建筑采用钢结构桁架和网壳结构相结合的设计，它的钢结构总重量约为42 000 t。

1.4.2 上海中心大厦

上海中心大厦是一座超高层建筑，也是目前世界上第二高的摩天大楼。该建筑由全球知名建筑师胡安·拉·哈，设计高度为632 m，总共101层，建筑面积为420 000 ㎡。该建筑采用了许多大跨度钢结构，如钢桁架、钢柱和钢梁等。

1.4.3 香港国际机场航站楼

香港国际机场航站楼是一座大型钢结构建筑，由英国建筑师福斯特设计。该建筑采用了许多大跨度钢结构，如钢桁架和钢柱等，它的主航站楼屋面跨度达到了90 m，整个建筑面积达到了570 000 ㎡。

1.4.4 三峡水利枢纽工程船闸大坝

三峡水利枢纽工程是世界上最大的水利工程之一，其中船闸大坝的建设采用了大量的钢结构。船闸大坝是一个高度为185 m，总长1.1 km的建筑物，它的主要结构由8个巨型钢梁组成，每个钢梁的长度达到了150 m，重量超过2 000 t。

2 钢结构在大跨度建筑中的设计

2.1 钢结构设计的基本原则

大跨度钢结构的设计是一项复杂的任务，需要充分考虑建筑的结构、功能、使用情况、地理位置和气候等因素。在设计大跨度钢结构时，必须遵循以下原则。

（1）综合性原则：钢结构的设计必须综合考虑建筑结构、机电设备、地基与地质条件、抗震等多个因素。（2）安全性原则：大跨度钢结构必须具有足够的安全性能，能够承受预期荷载、满足使用要求，且在极端情况下仍能保持稳定。（3）经济性原则：钢结构的设计应在保证结构安全的前提下，尽量减少材料的使用，提高结构的效率和经济性。（4）可维护性原则：钢结构的设计必须方便维护，考虑到维护的成本和难度，以便在日常使用中保持结构的可靠性和安全性[1]。

2.2 大跨度钢结构的设计方法

大跨度钢结构的设计方法包括以下几个步骤。

（1）建立结构模型：在设计大跨度钢结构之前，需要通过计算机辅助设计软件或手工计算等方式建立结构的数学模型，包括结构的形状、材料、截面尺寸、节点连接方式等。（2）确定荷载和组合：在建立结构模型的基础上，需要确定建筑的荷载和荷载组合，包括恒载、活载、风载、地震载等。（3）进行静力分析：通过静力分析，计算出结构受力情况、应力、变形和位移等参数，并进行优化设计。（4）进行动力分析：如果建筑所处的地区存在较大的风荷载或地震荷载，需要进行动力分析，计算结构在地震和风荷载下的反应。（5）进行节点设计：节点是大跨度钢结构的重要组成部分，需要对节点进行详细设计，确定节点的类型、尺寸、材料和连接方式。（6）优化设计：在完成以上步骤后，需要对整个结构进行优化设计，以提高结构的效率和经济性，并满足使用要求和安全要求。以上步骤在设计大跨度钢结构时必须严格遵守，以确保结构的稳定性、安全性和可靠性

2.3 钢结构节点设计的要点

（1）确定节点类型：钢结构节点可分为刚性节点和半刚性节点两种类型，其选择应根据结构的受力特点和变形特性进行综合考虑。（2）节点连接方式：节点连接方式应根据节点类型和受力情况进行选择，常用的连接方式有焊接、螺栓连接和销连接等。（3）节点布置方式：节点的布置应根据受力情况和节点类型进行选择，常用的节点布置方式有集中节点、分散节点和混合节点等。（4）节点的材料选用：节点的材料选用应根据节点类型、受力情况和连接方式进行选择，常用的材料有普通钢材、高强度钢材、钢板等。（5）节点设计的计算：节点设计应进行详细的受力计算，考虑节点内部应力分布和节点周围构件的相互影响等因素，以保证节点的安全可靠性。（6）节点的制造和施工：节点制造和施工应符合相应的规范和标准，严格控制质量，避免出现制造和施工过程中的缺陷和质量问题。工程实践应根据受力情况、节点类型和连接方式等因素进行综合考虑，采用合理的节点设计方案，以保证结构的安全可靠性和经济性。

2.4 大跨度钢结构设计的实例分析

在大跨度钢结构的设计中，设计师需要考虑多个方面的因素，包括荷載、节点设计、结构稳定性和安全性等。以上海世博会中国馆为例，其建筑设计采用了大跨度钢结构。设计师采用了钢桁架结构，并且在桁架的中心部位增加了一个大型的空心球体，将荷载分散至结构的四周。此外，该馆的外墙采用了多层玻璃幕墙，并且在顶部设置了多个太阳能板，从而实现了自然采光和太阳能的利用。在设计过程中，设计师需要考虑结构的强度和稳定性，尤其是在风力较大的地区。因此，在设计钢结构节点时，设计师需要使用高强度的螺栓连接件，以确保结构的稳定性和安全性。此外，为了避免钢结构的变形和裂纹，设计师需要在设计过程中进行强度和变形的计算，并且在节点设计时留有一定的余量[2]。

3 钢结构在大跨度建筑中的施工

3.1 施工工艺的选择

在大跨度钢结构的施工中，选择合适的施工工艺是至关重要的。不同的钢结构具有不同的施工特点和工艺要求，因此需要根据具体的情况进行选择。首先，在选择钢结构的起吊和安装这一重要环节的施工工艺时，需要考虑到吊装的高度和吊点的数量，并且需要根据具体的钢结构形式来选择合适的吊装工艺。对于较大的钢结构，通常需要采用起重机等大型设备进行吊装，而对于较小的钢结构，则可以采用手动或机械升降的方式进行吊装和安装。其次，因钢结构的焊接需要满足高强度和高质量的要求，且需要保证焊接的牢固性和密封性，在选择焊接工艺时，需要根据具体的钢结构形式和焊接部位来选择合适的焊接方法，例如手工电弧焊、埋弧焊和气体保护焊等。最后，考虑钢结构容易受到大气、水、灰尘和化学腐蚀等因素的影响，因此需要在钢结构的涂装和防腐处理的施工过程中需对钢结构进行涂装和防腐处理，以保护其表面和内部结构。在选择涂装和防腐工艺时，需要根据钢结构的使用环境和要求来选择合适的材料和工艺。

3.2 施工中的安全措施

在大跨度钢结构的施工中，安全措施是非常重要的，因为钢结构的重量很大，一旦出现施工意外，可能会造成严重的人员伤亡和财产损失。因此，施工单位应该高度重视施工安全，采取有效的措施确保施工过程中的安全性；设立安全警戒线，限制非施工人员进入施工现场。严格执行施工现场安全制度，包括穿戴好安全防护用品、使用安全工具等；安排专人对施工现场进行监督，及时发现并处理施工过程中的安全问题；对施工设备进行定期检查和维护，确保设备运行正常；根据施工现场的实际情况，合理安排人员和设备的位置，确保施工过程中的安全性。此外，在施工现场应当加强交通管理，避免车辆、人员交叉混乱，导致意外发生；同时，施工现场应当有专人负责消防安全，配备灭火器等消防设备，并定期组织消防演练，提高应对突发事件的能力[3]。

3.3 施工中的质量控制

施工中的质量控制是保证钢结构施工质量的重要手段。钢结构施工质量的好坏直接关系到建筑的安全性和使用寿命，因此，必须严格控制施工过程中的质量。在施工过程中，必须按照国家和行业的相关标准进行施工，同时也要采取相应的控制措施，确保施工质量的稳定性和可靠性。

3.3.1 焊接质量控制

钢结构中的焊接质量直接影响整个建筑结构的质量和安全性。因此，在施工中要严格按照相关标准进行焊接工艺的选择和控制，确保焊接缝的质量符合标准要求。同时，在焊接过程中要定期进行焊缝探伤和渗透检测，及时发现焊接缺陷并进行修复。

3.3.2 空间尺寸和形状的控制

钢结构的空间尺寸和形状的控制是保证结构尺寸准确性的关键。在施工中，必须采取相应的措施，确保钢构件的尺寸和形状符合设计要求。同时，在钢构件加工过程中，还要进行相应的测量和调整，确保钢构件的准确性和精度。

3.3.3 表面处理和防腐措施的控制

钢结构表面的处理和防腐措施直接关系到结构的使用寿命和安全性。因此，在施工中，必须对钢构件进行表面处理和防腐措施，确保钢构件的耐久性和可靠性。同时，在表面处理和防腐措施过程中，还要注意环境因素的影响，选择相应的材料和工艺，确保施工质量。

3.3.4 施工记录和检验的控制

在钢结构施工过程中，必须进行严格的记录和检验，以确保施工质量的可控性和稳定性。在施工过程中，必须对每一步施工工作进行记录和检验，并及时发现和解决问题，确保施工质量符合标准要求[4]。

3.4 施工案例分析

以某大型跨度钢结构建筑为例，进行施工案例分析，该建筑的主要钢结构构件为桁架和桥面板，桁架的主要构件为桁腹板、桁肋和桁斜撑。在施工过程中，采用了以下措施进行质量控制。首先，对焊接工艺进行严格控制，按照相关标准选用焊接工艺，对焊接缝进行探伤和渗透检测，确保焊接缝的质量符合标准要求。其次，对空间尺寸和形状进行控制，采用精确的测量和调整方法，确保钢构件的尺寸和形状符合设计要求。再次，对表面处理和防腐措施进行控制，采用高质量的表面处理和防腐材料，确保钢构件的耐久性和可靠性。最后，对施工记录和检验进行严格控制，记录施工过程中的每一步工作，并及时发现和解决问题，确保施工质量符合标准要求。经过上述措施的质量控制，该建筑的钢结构施工质量得到了保证，整个建筑的结构稳定性和安全性得到了提升；同时，该建筑也成为了大跨度钢结构施工的典范之一，为钢结构施工提供了有益的经验和借鉴[5]。

4 钢结构在大跨度建筑中的维护与管理

4.1 钢结构的维护方法

钢结构的维护是保证钢结构长期稳定运行的重要保障。在钢结构维护如下几方面。

4.1.1 清洁保养

钢结构在使用过程中会积累一定的污垢和灰尘，如果不及时清洗和保养，不仅会影响钢结构的美观度，还可能导致表面的腐蚀和损伤。因此，对钢结构的清洁保养工作应该定期进行[6]。

4.1.2 防腐处理

钢结构的表面应进行防腐处理，以延长钢结构的使用寿命。防腐处理的方法包括涂层防护、热浸镀锌等，不同的钢结构材料需要采用不同的防腐方法。

4.2.3 检修维修

钢结构在长期使用过程中，可能会出现一些问题，如腐蚀、损伤、变形等。对于这些问题，需要进行及时检修，以保证钢结构的使用安全和稳定性

4.2.4 加固改造

随着使用年限的增加，钢结构可能会出现疲劳和老化等问题，需要进行加固和改造。加固改造的方法包括增加梁柱截面、加强连接节点、加装支撑等，以提高钢结构的承载能力和稳定性。

4.2 钢结构的管理制度

首先，需要建立钢结构档案，包括钢结构的设计图纸、技术规范、施工方案、检测记录等资料。钢结构档案应按照规定进行编号、分类、存档，以便于查询和管理。其次，需要对钢结构进行定期检测和维护。钢结构的检测应按照国家标准和行业规范进行，如《钢结构工程质量检验与评定标准》（GB/T 50315）、《建筑钢结构工程施工质量验收规范》（JGJ 81-2002）等。检测内容应包括钢结构的承载力、变形、裂缝、腐蚀、锈蚀等方面，并根据检测结果制定维护计划，对钢结构进行必要的修复和加固。此外，需要建立钢结构的安全管理制度。管理制度应明确责任部门、责任人和责任制度，建立钢结构的日常巡查和维护机制，及时发现和处理钢结构存在的安全隐患，确保钢结构的安全稳定运行。最后，需要建立钢结构的应急管理制度。应急管理制度应包括应急预案、应急演练和应急处置流程等方面，以应对可能出现的紧急情况，更大程度地减少人员伤亡和财产损失。

4.3 钢结构的安全评估和检测

首先，进行钢结构的安全评估。钢结构的安全评估应根据国家相关标准和规范进行，如《钢结构设计规范》（GB 50017-2017）、《钢结构工程质量检验与评定标准》（GB/T 50315-2010）等。评估内容应包括钢结构的承载力、变形、裂缝、腐蚀、锈蚀等方面，评估结果应根据安全性等级制定相应的维护和加固措施。其次，进行钢结构的定期检测。钢结构的定期检测应按照国家相关标准和规范进行，如《钢结构工程质量检验与评定标准》（GB/T 50315-2010）、《建筑钢结构工程施工质量验收规范》（JGJ 81-2002）等。检测内容应包括钢结构的承载力、变形、裂缝、腐蚀、锈蚀等方面，并根据检测结果制定相应的维护和加固措施。在检测过程中，应注意对钢结构的安全性进行评估，及时发现和处理存在的安全隐患。此外，需要建立钢结构的日常巡查机制。巡查内容应包括钢结构的表面腐蚀、锈蚀情况、连接节点的松动情况、裂缝和变形情况等方面，及时发现和处理存在的问题，以保证钢结构的安全性。最后，在施工和维护过程中，应加强对钢结构的质量控制。钢结构的质量控制应按照国家相关标准和规范进行，确保钢结构的质量符合设计要求，以提高钢结构的安全性。

4.4 维护和管理案例分析

为了更好地展示钢结构维护和管理的实践案例，文章选取了某高速公路大跨度钢结构桥梁作为案例进行分析。该钢结构橋梁建成于2010年，是一座跨度达到100 m的大跨度钢结构桥梁，自建成以来，该桥梁一直处于高强度使用状态，其维护和管理工作显得尤为重要。针对该桥梁的维护和管理工作，相关单位采取了一系列措施，包括定期巡查、定期检测、维护和加固等。其中，每年至少进行两次钢结构巡查和一次全桥检测，对钢结构进行承载力、变形、裂缝、腐蚀、锈蚀等方面的检测和评估，及时发现存在的问题，并制定相应的维护和加固措施。此外，对于钢结构的维护和加固，相关单位也采取了多种措施。如定期对钢结构表面进行清洗和涂漆，保持钢结构的防腐性能；加固连接节点，确保连接处的安全性；加固梁底板和主梁，提高钢结构的承载能力等。经过多年的维护和管理，该桥梁的钢结构始终保持良好的状态，未发生任何安全事故，保障了该高速公路的通行安全。该案例表明，钢结构的维护和管理工作对于保障钢结构在大跨度建筑中的安全应用具有重要的作用。只有加强维护和管理工作，才能确保钢结构的长期稳定运行，保障建筑的安全性。

5 结语

文章介绍了钢结构在大跨度建筑中的应用与设计，以及钢结构在大跨度建筑中的施工、维护和管理等方面的相关知识。钢结构作为一种重要的结构形式，具有重量轻、强度高、可塑性好等优点，在大跨度建筑中应用越来越广泛。在钢结构的设计、施工、维护和管理中，各个环节都非常重要，需要专业的技术人员进行严密的设计、施工、检测、评估和维护。只有这样，才能保障钢结构在大跨度建筑中的长期安全稳定运行，为建筑的可持续发展做出贡献。

参考文献[1] 徐瑞芳，杨旭光，姜红霞.高层大跨度钢结构建筑抗震设计方法研究[J].建筑结构， 2021，51（4）：52-58.