浅议大跨度钢结构设计

王建军　钟杰

随着我国经济建设的蓬勃发展，网架、候机厅、会展中心、会堂、剧院等大型公共建筑及不同类型的工业建筑获得了广泛应用。

习惯上，通常将空间结构按形式分为五大类，即薄壳结构（包括折板结构）、

网架结构、网壳结构、悬索结构和膜结构，称为五大空间结构。其中，膜结构可分为充气膜结构和支承膜结构，前者又可分为气囊式膜结构（囊中气压为3～7个大气压，称高压体系）和气承式膜结构（膜内气压1.003个大气压左右，称低压体系），后者又可分为刚性支承膜结构（支承在刚度较大的如拱、梁、桁架、网架等支承结构上，又称骨架式膜结构）和柔性支撑膜结构（支承在脊索、谷索、边索、桅杆等柔度较大的支承结构上，又称张拉式膜结构）。在五太空间结构的基础上，平板型的网架结构和曲面型的网壳结构可合并总称为网格结构（新的《土木工程名词》已经正式推荐采用“空间构架”这一名词，相当于英文的Space Frame，这里仍根据习惯称为网格结构）；而悬索结构与膜结构也可合并总称为张拉结构。

（一）高空散装法

是指在结构下部搭设满堂脚手架，脚手架铺设工作平台，将小拼单元或散架（单根杆件及单个节点）运至工作平台上，然后直接在设计位置进行拼装的方法。高空散装法分为全支架法（即满堂脚手架）和悬挑法两种。由于在高空拼装。垂直运输时不需要起重机或大型起重设备，但现场及高空作业量大，需要大量的支撑架材料和设备。

（二）单元块吊装法

是指先把网架分割成若干单元块并在地面进行组装，然后分别由起重机吊装至高空设计位置就为搁置，再间接各单元块之间上、下弦杆和腹杆直至拼装成整体的施工方法。

采用单元块吊装法施工时，由于结构的大部分焊接、拼装工作都在地面进行，有利于提高工程质量，并可省去大部分搭设支撑架；其次，由于单元块的重量与现场现有的起重设备相适应，可利用现有的起重设备吊装网架，有利于节约成本。该方法比较容易在中小型结构中实现，但还存在一定的高空作业。

（三）移动支架安装法

无固定的支撑脚手架，网格结构在可移动的支撑架上进行安装，需要为支架的移动铺设轨道或平整场地。移动支安装法一般都与高空散装法联合使用。需要注意移动安装支撑架的场地或轨道是否足够平整；支架移动后，对已安装的结构部件是否设置若干固定临时支撑，以分散结构杆件内力和控制节点位移，同时也需要考虑支撑撤去时的内力改变情况。

（四）整体提升法

是指先将结构在地面整体拼装完整，然后再结构柱上安装提升设备（提升设备位于结构上方）提升结构。减少了空间作业量，方便了施工管理，缩短了工程工期，从而大大节省了施工费用。但是由于施工状态和施工完成状态的力学模型不同，应进行施工及竣工后结构的构建内力、节点变形、支座反力计算、合算设计的杆件截面，必要时另外作一些加固措施，并且在提升过程中跟踪结构杆件内力变化和节点位移发展。

北京科技大学体育馆（2008奥运会柔道、跆拳道比赛馆）位于北京科技大学校园内，由8 000席比赛馆和一个标准池游泳馆组成，总建筑面积为23 993m2，是北京2008年奥运会的主要比赛场馆之一。比赛馆屋面跨度為东西向76.8m、南北向105m，游泳馆屋面跨度为东西向60m、南北向30m，二者屋面结构均采用钢网架。下部结构（包括局部地下室）体系，比赛馆为带有4个钢筋混凝土小筒的框架结构，游泳馆在二层平台以下为钢筋混凝土框架结构，平台以上为钢管柱支承网架。

比赛馆网架跨度大，沿东西向两侧设有吊挂设备层、在南北两端山墙为吊挂玻璃幕墙，屋面总荷载较大（平均荷载标准值3.66kN/m2）。根据其特点，设计中采用了改进型双向正放网架的形式，即在不增加腹杆数量与节点数量的情况下，在上下弦平面增加两个斜方向的弦杆系统。不仅有效降低了单个杆件的内力，而且调整了不同支座之间的反力。同时，由于增加了这些斜杆，提高了整体屋面在斜向的受力性能，也减小了网架整体受力对单个杆件的依赖，有效地提高了结构的安全性能。为提高结构刚度，减少主体与附属结构材料用量，设计中结合屋面排水要求，采用四面结构找坡的形式，坡度4%，脊线位置设置上弦球节点以便于控制屋面形状，网架厚度为3.9～5.5m.

游泳馆阿架跨度60m×30m，网架四角无柱，四边隔点支承于20根钢管柱的柱顶，其中三边为下弦支承、一边为上弦支承。网架周围均有室外吊挂平台，吊点距离网架边缘三边为3.750m，一边为1.875m。设计采用双向正交斜放钢网架结构（图1），网格尺寸2.652m（对角线尺寸为3.75m），以满足吊点设置要求并可避免杆件之间相交角度过小。另外，将上弦支承边的网格方向调整为正交正放，网格尺寸为3.75m，避免过多杆件相交的节点。由于游泳馆嘲架下方不设吊顶，这样的杆件布置也形成了规则划一的建筑效果。为提高结构刚度，减少主体与附属结构材料用量，设计中结合屋面排水要求，采用单面结构找坡的形式，坡度4%，网架厚度为2.O～3.2 m。

鸟巢由瑞士赫尔佐格一德梅隆建筑事务所与中国建筑设计研究院联合体提出的鸟巢形国家体育场是2008年北京奥运会的中标方案。国家体育场看台呈碗形，最多可容纳100 000个座椅。支承体育场看台的是一系列放射状的混凝土框架。

覆盖体育场碗状看台的是一个巨大的“鸟巢”形空间钢结构。国家主体育场主体钢结构分为主结构、次结构和移动屋盖三部分，如图1.2所示。主结构实际上是两向不规则斜交的平面桁架系组成的约为340mX292m椭圆平面网架结构，网架外形呈微弯形双曲抛物面，周边支承在不等高的24根立体桁架柱上，每榀桁架与约为140m* 70m长椭圆内环相切或接近相切；次结构为镶嵌在主结构上弦多边形网格内的～系列杆件；移动屋盖跨越整个结构开口空间，由对称的两部分组成。移动屋盖曲线部分为悬臂区域，直线部分支撑在主结构的上弦，跨度约80m，能够沿着主结构上的固定轨道开启或关闭。主体结构的地下部分采用型钢混凝土柱。

随着理论研究的深入和工程实践的大量增加，我国科技人员将进一步研制开发出适应我国大跨空间钢结构需要的新体系、新计算、新材料，更充分地体现了大跨空间结构的先进性、经济性与合理性，促进我国大跨空间钢结构更积极、更健康的发展。使大跨空间结构更好的我国经济建设服务。

空间网架与网壳结构在我国应用和发展的历史虽仅有三十多年的历史，但已充分表明这是一类很有活力、适应性强、方兴未艾的空间结构。展望未来的二十一世纪，应在以下重点、热、难点的科技领域和前沿课题展开工作，大力开拓和发展各类新型、适用、美观的空间钢结构。

1. 总结经验，抓住机遇，迎接挑战，随着我国经济建设的蓬勃发展和人民生活水平的不断高，根据实际需要在我国研究、设计、制作和安装150m-200m，甚至大于200m的大跨度与超跨度的空间钢结构。

2. 在取得已有成果的基础上，进一步发展和完善具有我国特色的组合、斜拉和预应力网和网壳结构，并扩大它们应用范围。

3. 积极研究和开拓应用当前空间结构中最热门的索一杆（梁）杂交结构体系和索穹顶，以 填补我国的空白。

4. 开展研究和推广应用各类开启式和展开式空间钢结构体系。

5. 研究和开发空间钢结构的新材料、新结构、新技术、新节点、新工艺。

6. 研究大跨度与超大跨度空间钢结构的抗风、抗震计算理论与方法及其结构控

制按提供实用的设计计算方法和公式。