文 | 夕颜TALK

编辑 | 夕颜TALK

前言

随着我国城镇化进程的加快，桥梁、体育馆、展览馆等大型建筑不断涌现，对其承载力和耐久性提出了更高的要求。钢结构具有轻质高强等优点，在大跨结构中得到了广泛的应用。

一、大跨建筑物中钢结构的应用

1、大跨距建筑物的定义

大跨建筑是一种跨径超过50米，甚至可达数百米的建筑物，而钢结构是其中最常用的一种。大跨建筑物相对于传统建筑物而言，具有更大的跨度，更多的结构形式，更多的复杂性，更多的经济效益和社会价值。

钢结构作为一种广泛应用于大跨结构中的建筑材料，在未来建筑领域将继续发挥其不可替代的作用。

2、大跨建筑用钢结构的优越性

首先，钢结构强度高，刚度大。与传统的混凝土和砖木结构相比，钢结构可以采用更轻更薄的构件，在保证建筑稳定性的同时，还能减轻建筑重量，节约建筑材料。

其次，钢结构具有良好的延展性和可靠性；与混凝土等其它材料相比，钢材具有更高的塑性变形能力，在抗震、抗风等方面表现出更强的优越性，可有效提高大跨结构的安全可靠度。第三，钢构施工效率高；钢结构可在工厂预制，并在现场装配。

大大降低了施工工期、劳力费用，降低了施工噪声、污染。钢结构设计具有很大的灵活性。在钢结构中，可采用多种形式、不同构造的构件组合在一起。因此，大跨空间建筑在结构形式与美学设计上呈现出更多的多样性。

3、钢结构大跨径的分类

空间网格结构是指由钢杆、钢管等通过节点连接形成的空间结构，通常采用三角形、四边形等结构形式，具有轻质、高刚度、高可塑性等特点，被广泛应用于大型展馆、体育场馆和会议中心等建筑中。

悬索结构是用一条或几条悬索来支撑整栋建筑的一种结构形式。它具有良好的柔韧性和良好的抗风性，常应用于桥梁、机场和体育馆等建筑物中。

析架结构是由一组由斜杆、横梁、节点等组成的多个直角三角形单元所构成。它具有良好的稳定性和良好的抗震性能，常被用在大跨度的体育馆、展览馆和厂房等建筑中。

空间析架结构属于一种由大型架单元组成的空间结构，它主要由斜杆、梁、节点等构件组成。空间析架结构具有稳定性好、刚度高、抗风能力强等优点，通常被用在大型建筑物的屋盖和墙面等地方。

4、大跨钢结构施工实例分析

（1）鸟巢（北京）

北京国家体育场作为2008北京奥运会主场馆之一，以大跨钢结构而闻名。鸟巢占地258万平方米，最大跨距为332.6米。本工程采用钢结构析架网壳结构，总重量约42万吨。

（2）上海中心大厦

上海中心大厦是目前世界第三高的超高层建筑，它的建筑风格和建筑风格都有其独特之处。这座大楼设计高632米，共101层，占地420万平方米。这座大楼使用了大量的钢结构，例如钢桁架，钢柱，钢梁等等。

（3）香港国际机场

香港国际机场航站楼是一幢由多个大跨钢结构组成的大型钢结构建筑物，其中主航站楼屋面跨度达90米，占地面积达57万平方米。

（4）船闸水坝三峡工程

三峡水利枢纽是世界第一大型水利工程，钢结构在建造船闸水坝过程中大量应用。船闸大坝高185米，总长2335米，由8根长150米、重2000吨的巨型钢梁组成。

二、大跨建筑物中钢结构的设计

1、钢结构设计中应遵循的基本原则

大跨钢结构是一个复杂的系统工程，它涉及到建筑结构、功能、使用条件、地理位置、气候条件等多个方面。在进行大跨钢结构的设计时，应注意以下几个问题。

(1)综合性原则：在进行钢结构设计时，应综合考虑多种因素，如：建筑物结构，机电设备，地基和地质条件，抗震性能等。

(2)安全性原则：大跨钢结构应具备足够的安全性，既能承受预期荷载，又能满足使用要求，还能在极端条件下保持稳定性。

(3)经济性原则：钢结构在设计时，要以最少的材料为原则，以保证结构的安全性为原则，以提高效率与经济性为目的。

(4)可维护性原则：钢结构设计应便于维护性，考虑到维护性的费用与难度，以保证结构在日常使用中的可靠与安全。

2、钢结构大跨结构设计方法

(1)结构模型的建立：在进行大跨钢结构的设计之前，必须采用 CAD软件或者手工计算的方法，对结构的外形，材料，截面尺寸，节点连接等进行数学模型的建立。

(2)确定荷载及组合：根据结构模型，确定结构所需的荷载及组合荷载，如：静、活、风、震等。

(3)进行静力分析：对结构的受力状态，应力，变形，位移等参数进行计算，对结构进行优化设计。

(4)动力分析：当建筑物所在区域有强风或强震时，需做动力分析.计算建筑物在强震及强震下的反应。

(5)节点的设计：节点在大跨钢结构中起着举足轻重的作用，节点的型式、尺寸、选材、连接形式等都要做好详细的设计。

(6)设计优化：完成上述工作后，需对整体结构进行优化，使其既能提高效率，又能提高经济性，同时又能满足使用及安全的需要。为保证大跨钢结构的稳定、安全、可靠，必须严格遵循上述步骤。

3、钢结构节点设计中应注意的问题

(1)确定节点型式：在钢结构中，节点分为两类，一类为刚体，另一类为半刚体，在选择节点时，要结合结构的应力及变形特点。

(2)接头连接形式：接头连接形式应根据接头类型及受力情况选用，常用接头有焊接、螺钉接头、销钉接头等。

(3)结点布置：结点布置要根据受力情况和结点类型来选择，常见的结点布置有集中结点，分散结点，混合结点等。

(4)节点的选材：节点的选材要根据节点的型式、受力状况及连接方式来确定，常用的有普通钢、高强钢、钢板等。

(5)接缝设计计算：接缝设计时，应考虑接缝内应力分布及接缝周边各构件间的相互作用等因素，进行详细的受力计算。为确保节点安全可靠提供保障。

(6)接头的制作与施工：接头的制作与施工必须严格按照相关规范与标准进行，并对质量进行严格的控制，避免在制作与施工过程中出现质量问题与缺陷。

在实际工程中，应根据节点的受力状况、节点的型式及连接方式，选择合适的节点。从而使结构在使用过程中既能保证安全性，又能保证经济性。

4、大跨钢结构工程实例分析

对于大跨钢结构而言，设计人员必须综合考虑荷载、节点形式、结构稳定与安全等因素。以上海世博会中国馆为例，介绍了大跨度钢结构在建筑设计中的应用。设计采用钢框架结构，并在其中心处增设一大中空球，使结构四面均布荷载。

此外，馆外采用多层玻璃幕墙，顶部安装有太阳能电池板，既能充分利用自然光，又能充分利用太阳能。在设计时，特别是在强风地区，必须考虑到结构的强度与稳定性。

因此，为保证结构的稳定与安全，设计者必须采用高强螺栓连接。此外，为防止钢结构产生变形或变形，设计者在设计时需考虑强度与变形，并在节点处留有余地。

三、大跨建筑物中钢结构的施工

1、施工方法的选择

不同类型的钢结构有不同的构造特点及技术要求，应根据具体情况加以选择。首先，在选择钢结构吊装及安装施工工艺时，要考虑吊装高度及吊点个数等因素，并根据钢结构的具体类型，选择适当的吊装工艺。

大型钢结构常需借助吊车等大型设备才能完成吊运。对于小型钢结构，既可采用人工吊装，也可采用机械起重。其次，由于钢结构焊接既要满足高强度、高质量的要求，又要保证牢固、密封。

因此，在选择焊接工艺时，要根据钢结构的具体型式和焊接位置，选择适当的焊接方法。有手工电弧焊，埋弧焊，气体保护焊等

最后.考虑到钢结构容易受到大气、水、灰尘和化学腐蚀等因素的影响，因此在钢结构的涂装和防腐处理的施工过程中，需要对钢结构进行涂装和防腐处理，以保护其表面和内部结构。在涂料及防腐蚀工艺的选择上，应根据使用环境及钢结构的要求，选用适当的材料及防腐蚀工艺。

2、建筑施工安全问题

钢结构是一种重量最大的建筑结构，一旦施工中发生事故，将会给建筑结构带来巨大的生命和财产损失。对此，施工单位应高度重视施工安全问题，采取行之有效的措施保证施工安全。

设置安全警戒线，禁止非施工人员进入工地.严格遵守施工现场的安全规程，包括穿戴安全防护用品和使用安全工具；安排专人在施工现场开展监督工作，及时发现并处理施工过程中出现的安全问题。定期检查并维护施工设备，保证设备正常运转。

根据施工现场的实际情况，合理安排人员和设备的位置，保证施工过程中的安全性。另外，施工现场还应加强交通管理，防止车辆和人员交叉造成混乱，造成事故。

同时，施工现场还应安排专人负责消防工作，并配有灭火器和其他消防器材。并定期组织消防演练，提高应急处理能力。

3、在施工过程中如何控制质量

钢结构的施工质量直接关系到建筑物的安全与使用，所以施工质量必须严格控制。在施工过程中，既要严格按照国家、行业有关标准，又要采取相应的控制措施，以保证施工质量的稳定、可靠。

（1）焊接质量的控制.

钢结构焊接质量的优劣，直接关系到整个建筑物的质量与安全。因此，在施工过程中，应根据有关规范，选择并控制焊接工艺，以保证焊接接头质量达到规范要求。同时，对焊接过程中出现的缺陷，应及时发现，及时采取措施加以解决。

（2）空隙大小与形状的控制

为了保证结构尺寸的精度，钢结构的尺寸与形状控制至关重要。在施工过程中，应采取相应措施，保证钢构件尺寸、形状满足设计要求。同时，在钢制零件的加工过程中，还需要对其进行相应的测量与调整，以保证钢制零件的精度与精度。

（3）表面处理与防腐蚀处理

钢结构的表面处理与防腐蚀是影响其使用寿命与安全的重要因素。因此，在施工过程中，一定要做好表面处理，并采取防腐蚀措施，以保证其使用寿命及可靠性。同时，在采取表面处理和防腐措施的过程中，还应考虑到环境因素的影响，对材料和工艺进行选择，以保证施工质量。

四、大跨建筑物中钢结构的养护管理

1、清洗和维护

在使用过程中，钢结构会积累一定数量的污垢和灰尘，如果不能及时对其进行清洗和维护，不仅会影响到钢结构的美观度，还会造成表面的腐蚀和损伤。因此，对于钢结构应定期做好清洁维护工作。

2、防腐蚀

为了延长钢结构的使用寿命，在钢结构表面做防腐处理是必要的。防腐蚀处理方法有涂布保护、热浸镀锌等，不同的钢结构材料有不同的防腐蚀方法。

3、维修保养

.钢结构在长期服役过程中会产生腐蚀、破损和变形等问题。对此，应及时采取维修措施，确保钢结构在使用过程中的安全性与稳定性。

4、加强和改建工程

钢结构随着使用年限的增长，可能产生疲劳、老化等现象，必须对其进行加固改造。对钢结构进行加固改造，可采用加大梁、柱截面、加强连接节点、增加支撑等措施，提高其承载力和稳定性。

结语：

钢结构以其轻质、高强和良好的塑性等特点，在大跨空间建筑中得到了越来越多的应用。钢结构的设计、施工、维护与管理的每一个环节都十分关键，要求有专门的技术人员对其进行严格的维护。从而保证大跨建筑物中钢结构的长期安全、稳定使用，促进建筑的可持续发展。