大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)支承體系與屋蓋結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計探討

1、大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)支承體系與屋蓋結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計探討    摘要：隨著我國企業(yè)集團生產(chǎn)的加快，很多企業(yè)需要對原有廠房進行改造或者新建廠房，其中大跨度結(jié)構(gòu)由于其實用性高，容納性好得到了廣泛運用。本文為此具體探討了大跨度結(jié)構(gòu)支承體系與的特點與設(shè)計要點。關(guān)鍵詞：大跨度；結(jié)構(gòu)支承體系；眾所周知，大跨度建筑平面布置復(fù)雜，使用荷載大且分布不均勻，造成結(jié)構(gòu)先天存在質(zhì)心與剛心較大的偏離，在地震作用下，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，扭轉(zhuǎn)位移比不易控制。同時大跨度的觀結(jié)構(gòu)支承體系與在設(shè)計中，為了減輕自重，通常為鋼結(jié)構(gòu)。這些特點給大跨度支承和的選擇提出了挑戰(zhàn)。1 大跨度結(jié)構(gòu)支承體

2、系與大跨度建筑從結(jié)構(gòu)構(gòu)成上講，是由屋蓋結(jié)構(gòu)和下部支承結(jié)構(gòu)構(gòu)筑而成。其無論從設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、安全疏散，還是功能要求方面，都比常規(guī)的建筑要復(fù)雜。給結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了挑戰(zhàn)。尤其是結(jié)構(gòu)抗震方面，支承體系對結(jié)構(gòu)抗震安全有著決定性的影響，其結(jié)構(gòu)類型也各異。1.1 大跨度結(jié)構(gòu)支承體系大跨度建筑的下部支承體系主要以豎向構(gòu)件為主，以及為了保持下部結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性的水平構(gòu)件構(gòu)成。水平結(jié)構(gòu)必須由豎向結(jié)構(gòu)支承，所以大跨度建筑中的豎向結(jié)構(gòu)的目的是為了支承大跨空間屋蓋，從而為觀演營造一個封閉的建筑空間。為此大跨度下部支承體系一般采用下面幾類：(1)鋼框架結(jié)構(gòu)；(2)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；(3)鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。下部支承體

3、系形式與上部大跨度結(jié)構(gòu)體系有很大關(guān)聯(lián)，從某種意義上說，大跨空間結(jié)構(gòu)的體系形式將直接決定支承體系的結(jié)構(gòu)形式。大跨度最大的特點就是比較空曠，高差很大，樓板缺失很多，開洞分開的各部分連接較弱，在地震作用下各部分容易相對振動而使削弱部分產(chǎn)生震害。根據(jù)這些特點，大跨度的支承體系結(jié)構(gòu)方案常選用了框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，利用建筑隔墻及樓、電梯井，在適當(dāng)位置設(shè)置剪力墻來調(diào)整結(jié)構(gòu)整體剛心，減小剛心與質(zhì)心的偏心距，增強結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度，避免在地震作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)脆性破壞。另外，通過在平面連接部位設(shè)置剪力墻，增強薄弱部位的連接，在地震作用下，結(jié)構(gòu)會有較好的空間協(xié)同工作能力。1.2 大跨度近幾十年，隨著大跨度功能的復(fù)雜化和

4、建設(shè)規(guī)模的大型化，廠房屋蓋形式也在不斷創(chuàng)新，因而出現(xiàn)了種類繁多的大跨度屋蓋形式。總體上看，大跨度的屋蓋形式是以大跨空間結(jié)構(gòu)為主要的發(fā)展方向。大跨空間結(jié)構(gòu)的卓越性能不僅僅表現(xiàn)在三維受力方面，而且還由于它們通過合理的曲面形體有效抵抗外荷載的作用。當(dāng)跨度增大時，空間結(jié)構(gòu)就愈能顯示出它們優(yōu)異的技術(shù)經(jīng)濟性能。事實上，當(dāng)跨度達到一定程度后，一般平面結(jié)構(gòu)往往己難以承受各種不同的外部作用力，因而大跨空間結(jié)構(gòu)以其優(yōu)良的力學(xué)性能和美觀的外部形態(tài)成為合理的屋蓋體系。當(dāng)前空間結(jié)構(gòu)主要有以下幾種。(1)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。它們一般是有桿件按一定規(guī)律組成的網(wǎng)格狀高次超靜定空間桿件結(jié)構(gòu)。外觀呈平板狀的成為網(wǎng)架，呈曲面狀的稱為網(wǎng)殼。由

5、于桿件在空間匯交于節(jié)點，形成的是一個高次超靜定結(jié)構(gòu)，因此網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)大的空間剛度，整體性強，能適應(yīng)不同方向、不同性質(zhì)的荷載。特別是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)還兼有薄殼結(jié)構(gòu)的特點。研究表明，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中桿件主要受軸力，所以容易作到材盡其用，節(jié)省材料，減輕自重。由于其自身的特點，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在我國得到廣泛的應(yīng)用，從體育館建筑導(dǎo)工業(yè)廠房、會展建筑的各類建筑。我國被世人譽為“網(wǎng)架王國”。(2)張力結(jié)構(gòu)。它們一般通過對索或膜施加預(yù)張力以后形成結(jié)構(gòu)體系，具有非線性特征。其主要受力構(gòu)件是單向受拉的索或雙向受拉的膜。(3)實體結(jié)構(gòu)。它們一般是鋼筋混凝土實體結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)相比，薄殼結(jié)構(gòu)造型優(yōu)美、傳力直接、受力性能良好。除了承

6、重結(jié)構(gòu)外又是維護結(jié)構(gòu)，使兩者功能融為一體，使材料更為節(jié)省。由于焊接技術(shù)的日益成熟，高強鋼材的出現(xiàn)，電算技術(shù)突飛猛進，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和張力結(jié)構(gòu)得以飛速發(fā)展，實體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用高峰己經(jīng)過去。2 大跨度結(jié)構(gòu)的設(shè)計建議2.1 重視結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計由于地震作用的不確定性和結(jié)構(gòu)計算假定與實際情況的差異。故要使建筑物具有盡可能好的抗震性能，首先應(yīng)從大的方面入手，做好抗震概念設(shè)計。大跨度一般體型復(fù)雜，多存在大跨、聯(lián)體、錯層、水平和豎向剛度突變等整體計算中較難處理的問題，與普通結(jié)構(gòu)相比，一些難點問題需要特別注意。扭轉(zhuǎn)位移比的控制問題抗震規(guī)范中關(guān)于結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比的控制要求是基于剛性樓板假設(shè)計算得出的。對于大跨度這樣內(nèi)部空曠的

7、結(jié)構(gòu)，采用全樓剛性樓板假定計算將產(chǎn)生較大的誤差，對于結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性有較大影響。而按照彈性樓板假定計算，結(jié)構(gòu)中最大扭轉(zhuǎn)位移很可能是個別構(gòu)件在局部振型作用下產(chǎn)生的，而非整體扭轉(zhuǎn)的表現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)的局部振蕩變形干擾了計算扭轉(zhuǎn)位移比的準(zhǔn)確性。因此對于此類內(nèi)部空曠結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)控制，不能僅拘泥于扭轉(zhuǎn)位移比的控制，更應(yīng)注重詳細研究各個振型，通過分析整體扭轉(zhuǎn)振型對地震力的貢獻情況以及豎向構(gòu)件的絕對層間位移來從概念上宏觀把握。另外，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部空曠，各豎向構(gòu)件之間沒有可靠的聯(lián)系，不能很好的協(xié)同工作，即使計算結(jié)果滿足規(guī)范對扭轉(zhuǎn)位移比的要求，也不能保證結(jié)構(gòu)的整體抗扭性能良好。由于實際地震的復(fù)雜性，這種僅在計算中滿足規(guī)

8、范的結(jié)構(gòu)是脆弱的。所以此類結(jié)構(gòu)應(yīng)注重概念設(shè)計。2.2 重視結(jié)構(gòu)的動力彈塑性分析我們知道，在罕遇地震作用下，很多結(jié)構(gòu)會部分進入塑性狀態(tài)。進入塑性階段后，可以認為結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)受兩個因素的影響：結(jié)構(gòu)剛度降低引起結(jié)構(gòu)振動特性的改變；塑性變形引起位移的增長。依據(jù)這個因素，對大跨度復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行動力彈塑性分析是很有必要的。同時，可以很清楚的看到塑性鉸在每一秒所出現(xiàn)的位置，就不同通過試算確定塑性鉸容易出現(xiàn)的位置。進行結(jié)構(gòu)的彈塑性動力分析時，必須選擇多條地震波進行計算。2.3 重視耗能機制大跨度多屬于乙類建筑，乙類建筑屬于地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的建筑。因此，設(shè)置多道防線是很有必要的。在罕遇地震下，

9、框剪結(jié)構(gòu)進入塑性狀態(tài)，連梁先出現(xiàn)塑性鉸，來進行耗能，然后是剪力墻出現(xiàn)裂縫進行耗能，最后才是框架梁柱，框剪結(jié)構(gòu)起到了兩道半的防線作用。而框架結(jié)構(gòu)，進入塑性階段后，框架梁首先出現(xiàn)塑性鉸，然后是框架柱，只起到一道防線的作用。2.4 加強構(gòu)件間的連接大跨度結(jié)構(gòu)布置常受建筑功能限制出現(xiàn)很多空腔、錯層等平面不規(guī)則現(xiàn)象，造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接薄弱，平面剛度缺乏，結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間不能很好地協(xié)調(diào)工作，產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形。對于這種現(xiàn)象，應(yīng)通過剪力墻設(shè)，來減小剛心與質(zhì)心的偏心距，各層樓板加強、大洞口周邊設(shè)置邊梁等措施來提高剛度，加強薄弱部位的連接，最終提高結(jié)構(gòu)整體的抗震性能。同時網(wǎng)架在整體計算中要合理簡化，無論對下部結(jié)構(gòu)設(shè)計還是

10、網(wǎng)架設(shè)計都至關(guān)重要。雖然對整體指標(biāo)影響很小，但局部一些構(gòu)件的配筋應(yīng)給與加強，應(yīng)足以重視?？傊S著大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在我國的飛速發(fā)展，大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計也步入一個完善階段，人們對屋蓋結(jié)構(gòu)與支承結(jié)構(gòu)的整體相互作用有了進一步認識，對屋蓋與支承結(jié)構(gòu)的整體計算方法有了極大地豐富，對大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)和支承結(jié)構(gòu)的完全相互作用的計算分析也成為可能。參考文獻：1 孔江洪，劉明全.福建大劇院結(jié)構(gòu)設(shè)計J.建筑技術(shù)，2007，38(2):21-23.2 葛家琪，王樹.河南藝術(shù)中心劇院鋼屋蓋基于延性的性能化設(shè)計研究J.建筑結(jié)構(gòu)， 2008,38(12)：15-16.3 田勇.網(wǎng)架、橡膠支座和支承框架動力相互作用的研究D.西安理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程系碩士學(xué)位論文)，2007：55.4 陳龍珠，梁發(fā)云，丁屹變剛度復(fù)合地基處理的有限元分析J工業(yè)建筑，2003，33(11)：18-205 宰金珉，梅國雄泊松曲線的特征及其在沉降預(yù)測中的應(yīng)用J重慶建筑大學(xué)學(xué)