摘 要：本文對大跨度結(jié)構(gòu)抗震分析和控制的相關(guān)問題進行了分析，并針對大跨度結(jié)構(gòu)抗震的施工進行了論述。
關(guān)鍵字：抗震鋼結(jié)構(gòu) 大跨度 天橋 大會堂
近年來，人們生活水平不斷的提高，工業(yè)生產(chǎn)及文化、體育事業(yè)不斷進步，大大增強了社會對空間結(jié)構(gòu)尤其是大跨度高性能空間結(jié)構(gòu)的需求。而計算理論的日益完善以及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，使得對任何復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計成為可能。近幾十年來，世界各地建造了成千上萬的大型體育館、飛機庫、展廳，采用的各類空間結(jié)構(gòu)，展示著優(yōu)美的造型，成為一道道風(fēng)景；更有無數(shù)的廠房、倉庫等因為采用了空間結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了經(jīng)濟、合理的完美統(tǒng)一。
1 大跨空間鋼結(jié)構(gòu)
習(xí)慣上，通常將空間結(jié)構(gòu)按形式分為五大類，即薄殼結(jié)構(gòu)（包括折板結(jié)構(gòu)）、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)，稱為五大空間結(jié)構(gòu)。其中，膜結(jié)構(gòu)可分為充氣膜結(jié)構(gòu)和支承膜結(jié)構(gòu)，前者又可分為氣囊式膜結(jié)構(gòu)（囊中氣壓為3～7個大氣壓，稱高壓體系）和氣承式膜結(jié)構(gòu)（膜內(nèi)氣壓1.003個大氣壓左右，稱低壓體系），后者又可分為剛性支承膜結(jié)構(gòu)（支承在剛度較大的如拱、梁、桁架、網(wǎng)架等支承結(jié)構(gòu)上，又稱骨架式膜結(jié)構(gòu)）和柔性支撐膜結(jié)構(gòu)（支承在脊索、谷索、邊索、桅桿等柔度較大的支承結(jié)構(gòu)上，又稱張拉式膜結(jié)構(gòu)）。在五太空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，平板型的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和曲面型的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)可合并總稱為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而懸索結(jié)構(gòu)與膜結(jié)構(gòu)也可合并總稱為張拉結(jié)構(gòu)。
2 大跨空間鋼結(jié)構(gòu)特點
2.1自重輕，經(jīng)濟性好。目前大部分空間結(jié)構(gòu)都采用鋼材、膜材等制作，輕質(zhì)高強材料的運用使結(jié)構(gòu)自重大大減輕。
2.2剛度好，抗震性能好。由于空間結(jié)構(gòu)具有三維受力特性，內(nèi)力均勻，對集中荷載的分散性較強，所以能很好的承受不對稱荷載或較大的集中荷載，整體剛度大。
2.3便于工業(yè)化生產(chǎn)。空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)件通常在工廠中制作，在工地上可以很快地安裝起來。
2.4形式多樣化，功能統(tǒng)一�？臻g結(jié)構(gòu)的形式豐富多彩，千變?nèi)f化，個性鮮明，建筑、結(jié)構(gòu)和使用功能的統(tǒng)一。
3鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計要點
3.1鋼結(jié)構(gòu)布置必須從體系和各組成部分的穩(wěn)定性，要求整體考慮，目前鋼結(jié)構(gòu)大多是按照平面體系進行設(shè)計，如桁架和框架。保證平面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，要求平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面穩(wěn)定計算需與結(jié)構(gòu)布置相一致，如增加必要的支撐構(gòu)件等。
3.2實用計算方法所依據(jù)的簡圖與結(jié)構(gòu)計算簡圖保持一致，單層或多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計框架穩(wěn)定分析，通常是只進行框架柱的穩(wěn)定計算。由于框架各柱的桿件穩(wěn)定計算的常用方法、穩(wěn)定參數(shù)等是依據(jù)一定的簡化典型情況或假設(shè)者得出的，因此設(shè)計者要能保證所有的條件符合假設(shè)時才能應(yīng)用。
3.3鋼結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計與構(gòu)件的穩(wěn)定計算，應(yīng)一致保證鋼結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計與構(gòu)件的穩(wěn)定計算相符合，對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點連接，應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節(jié)點應(yīng)盡量減少桿件偏心。
4 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法
4.1靜力法靜力法即靜力平衡法。在建立平衡微分方程時遵循如下基本假定：構(gòu)件是等截面直桿；壓力始終沿構(gòu)件原來軸線作用；材料符合胡克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系；構(gòu)件符合平截面假定，即構(gòu)件變形前的平截面在變形后仍為平截面；構(gòu)件的彎曲變形是微小的，曲率可以近似地用撓度函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)表示。根據(jù)以上假定條件可建立平衡微分方程，代入相應(yīng)的邊界條件，可解得兩端鉸支的軸壓構(gòu)件的臨界荷載。
4.2能量法能量法是求解穩(wěn)定承載力的一種近似方法。保守體系處在平衡狀態(tài)時，貯存在結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)變能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其臨界狀態(tài)的能量關(guān)系為：ΔU =ΔW式中 ΔU―――指應(yīng)變能的增量； 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）勢能駐值原理求解臨界荷載。勢能駐值原理指：受外力作用的結(jié)構(gòu)，當(dāng)位移有微小變化而總勢能不變，即總勢能有駐值時，結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)。表達式為：dΠ=dU-dW =0式中 dU―――指虛位移引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變能的變化，它總是正值； dW―――指外力在虛位移上作的功。
4.3動力法處于平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系，如果施加微小干擾使其發(fā)生振動，這時結(jié)構(gòu)的變形和振動加速度都和已經(jīng)作用在結(jié)構(gòu)上的荷載有關(guān)。當(dāng)荷載小于穩(wěn)定的極限荷載值時，加速度和變形的方向相反，因此干擾撤去后，運動趨于靜止，結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的；當(dāng)荷載大于穩(wěn)定的極限荷載值時，加速度和變形的方向相同，即使撤去干擾，運動仍是發(fā)散的，因此結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的。
5 大跨空間鋼結(jié)構(gòu)施工方法
5.1 高空散裝法。指在結(jié)構(gòu)下部搭設(shè)滿堂腳手架，腳手架鋪設(shè)工作平臺，將小拼單元或散架運至工作平臺上，然后直接在設(shè)計位置進行拼裝的方法。高空散裝法分為全支架法和懸挑法兩種。由于在高空拼裝。垂直運輸時不需要起重機或大型起重設(shè)備，但現(xiàn)場及高空作業(yè)量大，需要大量的支撐架材料和設(shè)備。
5.2單元塊吊裝法。指先把網(wǎng)架分割成若干單元塊并在地面進行組裝，然后分別由起重機吊裝至高空設(shè)計位置就為擱置，再間接各單元塊之間上、下弦桿和腹桿直至拼裝成整體的施工方法。采用單元塊吊裝法施工時，由于結(jié)構(gòu)的大部分焊接、拼裝工作都在地面進行，有利于提高工程質(zhì)量。
5.3移動支架安裝法。無固定的支撐腳手架，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在可移動的支撐架上進行安裝，需要為支架的移動鋪設(shè)軌道或平整場地。移動支安裝法一般都與高空散裝法聯(lián)合使用。需要注意移動安裝支撐架的場地或軌道是否足夠平整；支架移動后，對已安裝的結(jié)構(gòu)部件是否設(shè)置若干固定臨時支撐，以分散結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力和控制節(jié)點位移，同時也需要考慮支撐撤去時的內(nèi)力改變情況。
5.4 整體提升法。指先將結(jié)構(gòu)在地面整體拼裝完整，然后再結(jié)構(gòu)柱上安裝提升設(shè)備提升結(jié)構(gòu)。但是由于施工狀態(tài)和施工完成狀態(tài)的力學(xué)模型不同，應(yīng)進行施工及竣工后結(jié)構(gòu)的構(gòu)建內(nèi)力、節(jié)點變形、支座反力計算、合算設(shè)計的桿件截面，必要時另外作一些加固措施，并且在提升過程中跟蹤結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力變化和節(jié)點位移發(fā)展。
6 大跨空間鋼結(jié)構(gòu)施工需注意事項
6.1焊接鋼板節(jié)點。主要用于弦桿呈兩向布置的各類網(wǎng)架，如兩向正交正放網(wǎng)架、兩向正交斜放網(wǎng)架以及各種類型的四角錐網(wǎng)架。網(wǎng)架中，上、下弦桿均成兩向正交布置，斜腹桿或位于弦桿的豎平面內(nèi)或與弦桿豎平面成45。角相交。桿件端部均在節(jié)點處相交。為使這些匯交的桿件能在節(jié)點上有效地連成一體，桿件內(nèi)力得到可靠的傳遞，應(yīng)沿桿件方向設(shè)置相應(yīng)的節(jié)點板，各節(jié)點板間則以焊縫連成整體，從而形成了焊接鋼板節(jié)點。這種節(jié)點與鋼桁架的節(jié)點構(gòu)造較為相似，有時為了增加節(jié)點的強度和剛度，也可以在十字節(jié)點板中心加設(shè)一段圓鋼管，將十字節(jié)點板直接焊于中心鋼管上，從而形成一個由中心鋼管加強的焊接鋼板節(jié)點。
6.2鋼結(jié)構(gòu)腐蝕處理。鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕生銹害處很大，既會降低鋼結(jié)構(gòu)的強度和承載能力，又可能因腐蝕造成鋼結(jié)構(gòu)變形、斷裂、垮塌，一旦引發(fā)事故就會造成巨大損失。因此，做好防腐工作是鋼結(jié)構(gòu)建筑的重要工作，可以選用防腐涂料來預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕。從涂料的防腐年限、保光保色性、是否便于維修等方面進行選擇，室外鋼結(jié)構(gòu)宜采用總漆膜厚度不小于150μm的長效防腐涂料。室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)宜采用鐵紅醇酸底漆一度、云鐵醇酸防銹漆一度、醇酸面漆兩度，總漆膜厚度160μm。
6.3偶然荷載。在大跨度天橋和會堂鋼結(jié)構(gòu)分析中，偶然荷載主要是指地震作用。地震作用與風(fēng)荷載的區(qū)別在于：地震作用完全屬于動力作用，而風(fēng)荷載具有靜力和動力作用的雙重特點；地震作用與建筑物的重量直接相關(guān)，重量越大，地震作用也越大；而風(fēng)荷載主要與體型（或流形）和開洞情況關(guān)系較大；建筑物的自振周期越長，對承受地震作用越有利，而對承受風(fēng)荷載卻是很不利的。地震作用包括水平地震作用和豎向地震作用兩類。大跨度天橋和會堂鋼結(jié)構(gòu)的地震作用一般可采用振型分解反應(yīng)譜法計算；對于某些規(guī)則的網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)還可采用簡化計算方法；對特別重要或體型特別復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用時程分析法進行補充計算。
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