[2017年整理]大跨度钢结构设计施工若干问题的建议.docVIP

大跨度钢结构设计施工若干问题的建议 大跨度钢结构设计与施工一直是一个值得探讨的问题，笔者从大跨钢结构设计方案、推广应用高性能钢材、结构安全等级的掌握、焊缝等级的选用及施工因素对设计承载能力的影响等方面提出建议。 一、体育场屋盖设计方案应采用轻型结构、应考虑将看台结构作为传力的支承体系 近些年来，我国陆续建成了几个大跨度奥运体育场，南京奥体中心主体育场，屋盖结构是由与水平面成45度倾斜的、跨度为361.58米的三角形行架拱和有箱形钢梁形成的马鞍形空间网壳结构，用钢量约12153吨。整个屋盖结构由主拱和箱形梁外端“V”型支承将荷载传至下部看台(图一)，45度倾斜主拱宛如飘带，结构体系造型新颖美观。重庆奥体中心主体育场屋盖结构也是由跨度314米的三角形行架拱和空间网壳组成，网壳一端支承在看台上，将荷载传至下部看台结构(图二)。 沈阳奥林匹克体育中心体育场为容纳六万人的大型体育场(图三)，罩棚钢结构屋面为以橄榄叶的王冠为设计概念所设计成的跨度360米的大型屋顶，屋面罩棚结构采用单层网壳结构体系，南北罩棚内侧悬挑处各设置一空间加劲三角桁架，屋面网壳采用单根大口径钢管，一端支撑在地面，另一端直接与悬挑端的空间加劲桁架相贯连接。本罩棚钢结构总重量约1.2万吨，工程建筑面积1.04万平方米。这些工程的共同特点是屋盖钢结构充分利用下部看台作为传力结构，屋盖方案采用轻型网壳和钢管行架落地拱，造型新颖，用钢量只有“鸟巢”的1/4。 “鸟巢”钢结构采用了与看台完全脱开的方案(图四、图五)，水平荷载通过行架、由钢结构柱传至柱底、而巨大的柱底水平力由与看台基础脱开的巨型柱脚传递，结果造成钢结构杆件太大、钢板太厚，总用钢量超过4.2万吨。如果在屋盖门架柱顶处、看台顶部给门架增设支点，利用下部看台作为传力结构，将极大减少整体钢结构的内力、减少钢材用量。这样做并不影响“鸟巢”的建筑外形效果，也不影响室内观众视线。在静荷载作用下增设支点后的柱脚内力计算结果，其中FZ(支撑)、FX(支撑)分别表示增设支点后的24个柱脚处的竖向力、水平力；FZ、FX分别表示不增设支点、按照原设计计算简图计算的24个柱脚处的竖向力、水平力。计算结果表明，FZ/FZ(支撑)﹦1.57~1.97，FX/FX(支撑)=2.39~3.64，即增设支点后柱脚竖向力、水平力仅为原设计计算简图的57%、33%。 通过上述分析，300米已上大跨度体育场采用轻型空间钢结构、利用下部看台作为传力结构，不但造型轻盈美观，而且可以大量节省钢材。 二、大跨度体育场广泛应用国产高性能钢材，钢材性能已优于国外 我国建筑钢结构应用的迅速发展，尤其是奥体大跨度体育场馆的建设极大地推动了钢结构应用技术水平的提高。随着高层与大跨度钢结构项目的增多，对结构用材的品种、质量及性能的要求也更高，现工程所需优质厚钢材(厚度50～100毫米)的供需矛盾仍较为突出，以致国内已建的大跨及高层钢结构中，绝大多数采用了进口厚钢材。为改变这一局面，钢铁行业研制开发了专为高层钢结构用的优质中厚板材，并于2000年颁布了《高层建筑结构用钢板》YB4104-2000行业标准，并可大批量供应工程应用。这种牌号为Q235GJ、Q345GJ的优质厚钢板有着良好的综合性能，如低厚度效应(板厚50~100毫米时屈服强度仅降低6%，而普通Q345钢要降低20%)，良好的延性与冲击韧性(保证-40度冲击功)及焊接性能(碳当量保证)，以及抗撕裂性能(Z向性能保证)等。还可以正火状态交货，以消除内应力，细化晶粒。可以说能满足按抗震设计的钢结构用厚板材料的各种性能要求，其质量性能已优于日本SN50钢与美国A572-50级钢。 近两年来，在北京中关村金融中心、上海文献中心及北京电视中心、北京银泰大厦等工程中采用舞阳钢铁有限责任公司生产的Q345GJZ厚板都取得较好的效果。其突出的优点是可比普通Q345钢提高设计强度18%，可降低相关用钢量及造价10%以上。国家体育场(鸟巢)、五棵松文化体育中心等奥运场馆及CBD区中央电视台新址、国贸大厦(三期)等重点工程(要求厚度达100～130毫米用钢量超过10万吨)，都以此高层建筑钢结构板材为厚板订货的首选用材。《YB4104-2000》是非等效采用JISG3136《建筑结构用钢》标准制定的，其屈服强度级别最高为345MPa(抗拉强度490MPa)，而国际上已开发出抗拉强度590MPa和780MPa的高强度的建筑用钢。为适应建筑结构向高层化和大跨度发展，建筑结构必须使用高强度钢材。如鸟巢就在国内首次采用了Q460E-Z35厚度为100毫米、110毫米高强度钢约700吨，试验结果证明，各项指标均满足国标的要求。新的国家标准《GB/T19879-2005》新增加了490MPa、420MPa、460MPa三个强度级别，此标准是我国近年