鋼結構大跨度設計與施工

梁衛祖

摘 要：在新時代的背景之下，對于結構物的大跨徑的施工方式也越來越多，下面我們就具體的工程實例作為模本，來討論鋼結構大跨度的設計和施工方案選擇。

關鍵詞：鋼結構；大跨度；抗震

1 工程概況

工程建設地點為江門市體育中心位于江門濱江新城啟動區，新南路與天沙河路的交匯處，用地面積 40 公頃。由體育場、游泳館、體育會展中心等組成。其中體育場為甲級中型體育場，座席25518 個，建筑面積 46910m2，體育場西看臺屋蓋鋼結構頂高度為 53.924m，最大跨度（理論跨度）為 264.44m。

根據野外鉆探揭露情況，該場地自上而下分別為人工填土層 Q4ml、海陸交互相沉積層Q4mc、沖積-洪積砂層 Q4al及基巖：

1.1 人工填土層（Q4ml）

場地內人工填土層主要為素填土，局部為雜填土，顏色主要為灰褐色、紅褐色、灰色等，素填土的組成物主要為人工堆填的粉質粘土、碎塊石及少量砂土等，雜填土則含有磚塊、砼塊等建筑垃圾，大部分呈松散、欠壓實狀，局部壓實。部分鉆孔表層土為耕植土。本層在陸地鉆孔中分布廣泛，直接出露于地表，本次勘察在 83 個孔中均有揭露。揭露地層層頂標高為-0.19～4.55m，頂面埋深為 0.00m，厚度為 0.70～4.20m，平均厚度 2.26m。實測標貫擊數 N=2～9 擊，實測平均 6.8 擊。

1.2 海陸交互相沉積層（Q4mc）

淤泥層：呈深灰～灰黑色，局部地段含少量粉細砂，很濕，流塑狀，含有腐殖質，有臭味，局部夾薄層淤泥質土。含少量有機質。本層分布廣泛，本次勘察在 187 個鉆孔有揭露，層頂標高為-2.84～3.17m，頂面埋深為 0.00～4.20m，厚度為 1.00～20.50m，平均厚度 7.02m。實測標貫擊數 N=1～3 擊，實測平均 1.9 擊。

2 大跨度設計結構特點

根據建筑功能特點，本工程下部結構采用鋼筋混凝土框架結構形式，一般可以滿足豎向承載能力和水平承載能力的要求；上部大跨度結構采用鋼結構的形式，鋼屋蓋主要承受豎向荷載和風荷載。體育場西看臺屋蓋鋼結構由拱桁架、桁架梁以及由拱架向兩側懸挑的飄蓬組成。拱桁架橫截面為倒三角形，兩端拱腳支撐于地面，拱腳之間理論跨度約 260m（包含了混凝土支座的尺度），拱頂至地面矢高 50m，拱架平面與水平面夾角 47 度，拱頂向場外傾斜，通過設置拱支撐桿支承于屋面桁架梁上，拱桁架由圓鋼管構成。

屋蓋桁架梁一端與下部混凝土外側邊緣柱子鉸接，另一端與拱架下弦鋼管鉸接。屋蓋桁架梁為壓彎構件，采用倒三角形空間管桁架形式。為保證屋蓋的整體剛度在桁架梁中間設置斜撐桿，并在跨中和端部設置穩定桁架。

3 大跨徑結構抗震要求

為保證結構在地震作用下的安全，本工程的抗震性能目標選定為 B，各地震水準下的抗震性能水準要求及實現抗震性能目標的具體要求如下所示：

3.1 在多遇地震作用下，結構構件的承載力要求達到結構抗震性能水準，即構件完好、無損壞，按常規設計，滿足彈性設計要求。當然，也要滿足非地震組合作用下的各種性能要求。

3.2 在設防烈度地震作用下，結構構件的承載力要求達到結構抗震性能水準，即構件基本完成好、輕微損壞。關鍵構件及普通豎向構件的抗震承載力宜符合《高規》（1）的規定；耗能構件的受剪承載力宜符合《高規》（1）的規定，其正截面承載力應符合《高規》（2）的規定。在本工程中，屋蓋鋼結構構件的抗震承載力按《高規》（2）式進行復核，即構件承載力按不計入風荷載效應的地震作用效應設計值復核。地震作用設計參數按規范采用。

豎向荷載作用下的結構構件的結構重要性系數為 γ=1.1，Q345材的強度設計值 f=310MPa，即構件應力只要小于 310/1.1 =281.8Mpa 就能滿足規范要求。分析結果顯示，所有構件的強度滿足規范關于強度的要求，極少數構件如屋面桁架梁與桁架拱以及混凝土看臺柱連接部位的桁架弦桿應力較大。

4 大跨徑鋼結構施工技術簡析

對于大跨徑的鋼結構在施工中的方案不能完全的依照普通的鋼結構施工要求進行，相關的細部施工有特別的施工要求。就以大跨徑構件的吊裝和安放作為實例進行介紹。

根據風洞試驗報告提供的數據對屋蓋鋼結構進行風荷載作用下的分析，風洞試驗報告提供了7 個較不利風向下結構等效靜風荷載，體育場西看臺屋蓋鋼結構的最大位移為 w=141.5mm，可見風荷載對屋蓋鋼結構的影響是比較大的。所有構件的強度滿足規范承載力要求，也必須使用大跨徑的構件。

對于大跨度構件的制作前要考慮到構件因尺寸較大，擺放的地點受到限制，所以選好安放地址十分的重要，同時要考慮到后期的吊裝方便，大型機械車輛進場的方便。立體桁架由兩片平面桁架中間用上下水平支撐連為一體。制作時制定了切實可行的工藝措施，以保證施工過程的順利進行和制造質量符合要求。在H 型鋼的坡口加工、整體組裝和焊接方面要加強質量控制。

對于材料的焊接是一項較為困難的任務。首先要檢測焊接設備是否處于安全可工作的狀態，儀表的鑒定是否都在使用的時間區間中。合理的安排有焊接上崗證的技師根據設計要求進行作業。焊條采用專人進行烘焙和發放，焊接完成后對每條焊縫做好相應原始記錄（內容包括焊縫位置、編號、施焊時間人員等），確保主結構的焊縫質量。結構變形和焊接應力控制，測量監控。焊接質量檢查包括外觀和無損檢測，外觀檢查。監理全程見證，并及時通知第三方檢測對于板厚較大的鋼柱采用防止層狀撕裂的焊接構造形式，同時在焊接過程中注意焊接預熱和焊后保溫，進而滿足焊縫后熱處理的要求，確保大跨度施工技術的質量保證。

5 結語

根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》中第五章“超限大跨空間結構的審查”的相關規定，“應進行施工安裝過程中的內力分析。地震作用及使用階段的結構內力組合，應以施工全過程完成后的靜載內力為初始狀態”。參照類似項目的施工組織設計，本工程采用計算功能對整體結構進行了初步的分析。

本工程跨度較大，經過上述計算分析可見，整體結構在豎向荷載、風荷載、溫度作用以地震作用下都能滿足承載力和剛度的要求。預估性能目標與實際達到的性能目標如下表所示。

在重力荷載下考慮幾何非線性和材料非線性的穩定分析能滿足規范的要求；經過施工模擬分析驗證了結構在施工安裝過程中的安全性；通過考慮不同拱腳支座剛度及支座沉降對整體結構的影響，為保障結構整體安全對拱腳混凝土支座剛度提出設計要求；并對結構進行重力荷載下的抗連續倒塌分析，結果顯示結構在某些關鍵構件失效后具有足夠的抗連續倒塌的能力。

綜上，整個結構體系能夠滿足相應規范的要求，在采取必要的結構措施后，可以保證整個結構體系的安全。

參考文獻

[1] 《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB50068-2001）.

[2] 《工程結構可靠性設計統一標準》（GB50153-2008）.

[3] 《建筑工程抗震設防分類標準》（GB50223-2008）.

[4] 《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）.

[5] 《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）.

摘 要：在新時代的背景之下，對于結構物的大跨徑的施工方式也越來越多，下面我們就具體的工程實例作為模本，來討論鋼結構大跨度的設計和施工方案選擇。

關鍵詞：鋼結構；大跨度；抗震

1 工程概況

工程建設地點為江門市體育中心位于江門濱江新城啟動區，新南路與天沙河路的交匯處，用地面積 40 公頃。由體育場、游泳館、體育會展中心等組成。其中體育場為甲級中型體育場，座席25518 個，建筑面積 46910m2，體育場西看臺屋蓋鋼結構頂高度為 53.924m，最大跨度（理論跨度）為 264.44m。

根據野外鉆探揭露情況，該場地自上而下分別為人工填土層 Q4ml、海陸交互相沉積層Q4mc、沖積-洪積砂層 Q4al及基巖：

1.1 人工填土層（Q4ml）

場地內人工填土層主要為素填土，局部為雜填土，顏色主要為灰褐色、紅褐色、灰色等，素填土的組成物主要為人工堆填的粉質粘土、碎塊石及少量砂土等，雜填土則含有磚塊、砼塊等建筑垃圾，大部分呈松散、欠壓實狀，局部壓實。部分鉆孔表層土為耕植土。本層在陸地鉆孔中分布廣泛，直接出露于地表，本次勘察在 83 個孔中均有揭露。揭露地層層頂標高為-0.19～4.55m，頂面埋深為 0.00m，厚度為 0.70～4.20m，平均厚度 2.26m。實測標貫擊數 N=2～9 擊，實測平均 6.8 擊。

1.2 海陸交互相沉積層（Q4mc）

淤泥層：呈深灰～灰黑色，局部地段含少量粉細砂，很濕，流塑狀，含有腐殖質，有臭味，局部夾薄層淤泥質土。含少量有機質。本層分布廣泛，本次勘察在 187 個鉆孔有揭露，層頂標高為-2.84～3.17m，頂面埋深為 0.00～4.20m，厚度為 1.00～20.50m，平均厚度 7.02m。實測標貫擊數 N=1～3 擊，實測平均 1.9 擊。

2 大跨度設計結構特點

根據建筑功能特點，本工程下部結構采用鋼筋混凝土框架結構形式，一般可以滿足豎向承載能力和水平承載能力的要求；上部大跨度結構采用鋼結構的形式，鋼屋蓋主要承受豎向荷載和風荷載。體育場西看臺屋蓋鋼結構由拱桁架、桁架梁以及由拱架向兩側懸挑的飄蓬組成。拱桁架橫截面為倒三角形，兩端拱腳支撐于地面，拱腳之間理論跨度約 260m（包含了混凝土支座的尺度），拱頂至地面矢高 50m，拱架平面與水平面夾角 47 度，拱頂向場外傾斜，通過設置拱支撐桿支承于屋面桁架梁上，拱桁架由圓鋼管構成。

屋蓋桁架梁一端與下部混凝土外側邊緣柱子鉸接，另一端與拱架下弦鋼管鉸接。屋蓋桁架梁為壓彎構件，采用倒三角形空間管桁架形式。為保證屋蓋的整體剛度在桁架梁中間設置斜撐桿，并在跨中和端部設置穩定桁架。

3 大跨徑結構抗震要求

為保證結構在地震作用下的安全，本工程的抗震性能目標選定為 B，各地震水準下的抗震性能水準要求及實現抗震性能目標的具體要求如下所示：

3.1 在多遇地震作用下，結構構件的承載力要求達到結構抗震性能水準，即構件完好、無損壞，按常規設計，滿足彈性設計要求。當然，也要滿足非地震組合作用下的各種性能要求。

3.2 在設防烈度地震作用下，結構構件的承載力要求達到結構抗震性能水準，即構件基本完成好、輕微損壞。關鍵構件及普通豎向構件的抗震承載力宜符合《高規》（1）的規定；耗能構件的受剪承載力宜符合《高規》（1）的規定，其正截面承載力應符合《高規》（2）的規定。在本工程中，屋蓋鋼結構構件的抗震承載力按《高規》（2）式進行復核，即構件承載力按不計入風荷載效應的地震作用效應設計值復核。地震作用設計參數按規范采用。

豎向荷載作用下的結構構件的結構重要性系數為 γ=1.1，Q345材的強度設計值 f=310MPa，即構件應力只要小于 310/1.1 =281.8Mpa 就能滿足規范要求。分析結果顯示，所有構件的強度滿足規范關于強度的要求，極少數構件如屋面桁架梁與桁架拱以及混凝土看臺柱連接部位的桁架弦桿應力較大。

4 大跨徑鋼結構施工技術簡析

對于大跨徑的鋼結構在施工中的方案不能完全的依照普通的鋼結構施工要求進行，相關的細部施工有特別的施工要求。就以大跨徑構件的吊裝和安放作為實例進行介紹。

根據風洞試驗報告提供的數據對屋蓋鋼結構進行風荷載作用下的分析，風洞試驗報告提供了7 個較不利風向下結構等效靜風荷載，體育場西看臺屋蓋鋼結構的最大位移為 w=141.5mm，可見風荷載對屋蓋鋼結構的影響是比較大的。所有構件的強度滿足規范承載力要求，也必須使用大跨徑的構件。

對于大跨度構件的制作前要考慮到構件因尺寸較大，擺放的地點受到限制，所以選好安放地址十分的重要，同時要考慮到后期的吊裝方便，大型機械車輛進場的方便。立體桁架由兩片平面桁架中間用上下水平支撐連為一體。制作時制定了切實可行的工藝措施，以保證施工過程的順利進行和制造質量符合要求。在H 型鋼的坡口加工、整體組裝和焊接方面要加強質量控制。

對于材料的焊接是一項較為困難的任務。首先要檢測焊接設備是否處于安全可工作的狀態，儀表的鑒定是否都在使用的時間區間中。合理的安排有焊接上崗證的技師根據設計要求進行作業。焊條采用專人進行烘焙和發放，焊接完成后對每條焊縫做好相應原始記錄（內容包括焊縫位置、編號、施焊時間人員等），確保主結構的焊縫質量。結構變形和焊接應力控制，測量監控。焊接質量檢查包括外觀和無損檢測，外觀檢查。監理全程見證，并及時通知第三方檢測對于板厚較大的鋼柱采用防止層狀撕裂的焊接構造形式，同時在焊接過程中注意焊接預熱和焊后保溫，進而滿足焊縫后熱處理的要求，確保大跨度施工技術的質量保證。

5 結語

根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》中第五章“超限大跨空間結構的審查”的相關規定，“應進行施工安裝過程中的內力分析。地震作用及使用階段的結構內力組合，應以施工全過程完成后的靜載內力為初始狀態”。參照類似項目的施工組織設計，本工程采用計算功能對整體結構進行了初步的分析。

本工程跨度較大，經過上述計算分析可見，整體結構在豎向荷載、風荷載、溫度作用以地震作用下都能滿足承載力和剛度的要求。預估性能目標與實際達到的性能目標如下表所示。

在重力荷載下考慮幾何非線性和材料非線性的穩定分析能滿足規范的要求；經過施工模擬分析驗證了結構在施工安裝過程中的安全性；通過考慮不同拱腳支座剛度及支座沉降對整體結構的影響，為保障結構整體安全對拱腳混凝土支座剛度提出設計要求；并對結構進行重力荷載下的抗連續倒塌分析，結果顯示結構在某些關鍵構件失效后具有足夠的抗連續倒塌的能力。

綜上，整個結構體系能夠滿足相應規范的要求，在采取必要的結構措施后，可以保證整個結構體系的安全。

參考文獻

[1] 《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB50068-2001）.

[2] 《工程結構可靠性設計統一標準》（GB50153-2008）.

[3] 《建筑工程抗震設防分類標準》（GB50223-2008）.

[4] 《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）.

[5] 《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）.

摘 要：在新時代的背景之下，對于結構物的大跨徑的施工方式也越來越多，下面我們就具體的工程實例作為模本，來討論鋼結構大跨度的設計和施工方案選擇。

關鍵詞：鋼結構；大跨度；抗震

1 工程概況

工程建設地點為江門市體育中心位于江門濱江新城啟動區，新南路與天沙河路的交匯處，用地面積 40 公頃。由體育場、游泳館、體育會展中心等組成。其中體育場為甲級中型體育場，座席25518 個，建筑面積 46910m2，體育場西看臺屋蓋鋼結構頂高度為 53.924m，最大跨度（理論跨度）為 264.44m。

根據野外鉆探揭露情況，該場地自上而下分別為人工填土層 Q4ml、海陸交互相沉積層Q4mc、沖積-洪積砂層 Q4al及基巖：

1.1 人工填土層（Q4ml）

場地內人工填土層主要為素填土，局部為雜填土，顏色主要為灰褐色、紅褐色、灰色等，素填土的組成物主要為人工堆填的粉質粘土、碎塊石及少量砂土等，雜填土則含有磚塊、砼塊等建筑垃圾，大部分呈松散、欠壓實狀，局部壓實。部分鉆孔表層土為耕植土。本層在陸地鉆孔中分布廣泛，直接出露于地表，本次勘察在 83 個孔中均有揭露。揭露地層層頂標高為-0.19～4.55m，頂面埋深為 0.00m，厚度為 0.70～4.20m，平均厚度 2.26m。實測標貫擊數 N=2～9 擊，實測平均 6.8 擊。

1.2 海陸交互相沉積層（Q4mc）

淤泥層：呈深灰～灰黑色，局部地段含少量粉細砂，很濕，流塑狀，含有腐殖質，有臭味，局部夾薄層淤泥質土。含少量有機質。本層分布廣泛，本次勘察在 187 個鉆孔有揭露，層頂標高為-2.84～3.17m，頂面埋深為 0.00～4.20m，厚度為 1.00～20.50m，平均厚度 7.02m。實測標貫擊數 N=1～3 擊，實測平均 1.9 擊。

2 大跨度設計結構特點

根據建筑功能特點，本工程下部結構采用鋼筋混凝土框架結構形式，一般可以滿足豎向承載能力和水平承載能力的要求；上部大跨度結構采用鋼結構的形式，鋼屋蓋主要承受豎向荷載和風荷載。體育場西看臺屋蓋鋼結構由拱桁架、桁架梁以及由拱架向兩側懸挑的飄蓬組成。拱桁架橫截面為倒三角形，兩端拱腳支撐于地面，拱腳之間理論跨度約 260m（包含了混凝土支座的尺度），拱頂至地面矢高 50m，拱架平面與水平面夾角 47 度，拱頂向場外傾斜，通過設置拱支撐桿支承于屋面桁架梁上，拱桁架由圓鋼管構成。

屋蓋桁架梁一端與下部混凝土外側邊緣柱子鉸接，另一端與拱架下弦鋼管鉸接。屋蓋桁架梁為壓彎構件，采用倒三角形空間管桁架形式。為保證屋蓋的整體剛度在桁架梁中間設置斜撐桿，并在跨中和端部設置穩定桁架。

3 大跨徑結構抗震要求

為保證結構在地震作用下的安全，本工程的抗震性能目標選定為 B，各地震水準下的抗震性能水準要求及實現抗震性能目標的具體要求如下所示：

3.1 在多遇地震作用下，結構構件的承載力要求達到結構抗震性能水準，即構件完好、無損壞，按常規設計，滿足彈性設計要求。當然，也要滿足非地震組合作用下的各種性能要求。

3.2 在設防烈度地震作用下，結構構件的承載力要求達到結構抗震性能水準，即構件基本完成好、輕微損壞。關鍵構件及普通豎向構件的抗震承載力宜符合《高規》（1）的規定；耗能構件的受剪承載力宜符合《高規》（1）的規定，其正截面承載力應符合《高規》（2）的規定。在本工程中，屋蓋鋼結構構件的抗震承載力按《高規》（2）式進行復核，即構件承載力按不計入風荷載效應的地震作用效應設計值復核。地震作用設計參數按規范采用。

豎向荷載作用下的結構構件的結構重要性系數為 γ=1.1，Q345材的強度設計值 f=310MPa，即構件應力只要小于 310/1.1 =281.8Mpa 就能滿足規范要求。分析結果顯示，所有構件的強度滿足規范關于強度的要求，極少數構件如屋面桁架梁與桁架拱以及混凝土看臺柱連接部位的桁架弦桿應力較大。

4 大跨徑鋼結構施工技術簡析

對于大跨徑的鋼結構在施工中的方案不能完全的依照普通的鋼結構施工要求進行，相關的細部施工有特別的施工要求。就以大跨徑構件的吊裝和安放作為實例進行介紹。

根據風洞試驗報告提供的數據對屋蓋鋼結構進行風荷載作用下的分析，風洞試驗報告提供了7 個較不利風向下結構等效靜風荷載，體育場西看臺屋蓋鋼結構的最大位移為 w=141.5mm，可見風荷載對屋蓋鋼結構的影響是比較大的。所有構件的強度滿足規范承載力要求，也必須使用大跨徑的構件。

對于大跨度構件的制作前要考慮到構件因尺寸較大，擺放的地點受到限制，所以選好安放地址十分的重要，同時要考慮到后期的吊裝方便，大型機械車輛進場的方便。立體桁架由兩片平面桁架中間用上下水平支撐連為一體。制作時制定了切實可行的工藝措施，以保證施工過程的順利進行和制造質量符合要求。在H 型鋼的坡口加工、整體組裝和焊接方面要加強質量控制。

對于材料的焊接是一項較為困難的任務。首先要檢測焊接設備是否處于安全可工作的狀態，儀表的鑒定是否都在使用的時間區間中。合理的安排有焊接上崗證的技師根據設計要求進行作業。焊條采用專人進行烘焙和發放，焊接完成后對每條焊縫做好相應原始記錄（內容包括焊縫位置、編號、施焊時間人員等），確保主結構的焊縫質量。結構變形和焊接應力控制，測量監控。焊接質量檢查包括外觀和無損檢測，外觀檢查。監理全程見證，并及時通知第三方檢測對于板厚較大的鋼柱采用防止層狀撕裂的焊接構造形式，同時在焊接過程中注意焊接預熱和焊后保溫，進而滿足焊縫后熱處理的要求，確保大跨度施工技術的質量保證。

5 結語

根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》中第五章“超限大跨空間結構的審查”的相關規定，“應進行施工安裝過程中的內力分析。地震作用及使用階段的結構內力組合，應以施工全過程完成后的靜載內力為初始狀態”。參照類似項目的施工組織設計，本工程采用計算功能對整體結構進行了初步的分析。

本工程跨度較大，經過上述計算分析可見，整體結構在豎向荷載、風荷載、溫度作用以地震作用下都能滿足承載力和剛度的要求。預估性能目標與實際達到的性能目標如下表所示。

在重力荷載下考慮幾何非線性和材料非線性的穩定分析能滿足規范的要求；經過施工模擬分析驗證了結構在施工安裝過程中的安全性；通過考慮不同拱腳支座剛度及支座沉降對整體結構的影響，為保障結構整體安全對拱腳混凝土支座剛度提出設計要求；并對結構進行重力荷載下的抗連續倒塌分析，結果顯示結構在某些關鍵構件失效后具有足夠的抗連續倒塌的能力。

綜上，整個結構體系能夠滿足相應規范的要求，在采取必要的結構措施后，可以保證整個結構體系的安全。

參考文獻

[1] 《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB50068-2001）.

[2] 《工程結構可靠性設計統一標準》（GB50153-2008）.

[3] 《建筑工程抗震設防分類標準》（GB50223-2008）.

[4] 《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）.

[5] 《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）.