大跨度空间钢结构整体安全性设计与实现
来源:用户上传
作者:
【摘要】：安全性设计是大跨度空间钢结构整体设计时的一个突出问题，特别是钢结构耐火性能差，设计过程中，应该特别注意大跨度空间钢结构的安全性设计，如果对这方面的因素考虑不周，将会造成财物、人员等方面的损伤。本文针对大跨度空间钢结构的特点，从大跨度空间钢结构整体设计理念入手，针对大跨度空间钢结构安全性设计进行分析，提出了大跨度空间钢结构整体安全性设计策略。
【关键词】： 大跨度 钢结构 安全性
在全世界都在呼吁节能减排的大环境下，钢结构这种绿色环保的建筑结构形式在发达国家已经相当普及，在我国更有广大的发展空间，钢结构具有自重轻、强度高、抗震性能好，施工时间短、材料可回收再生等诸多优点，但由于大跨度空间钢结构又有失稳的实例，且钢材本身不能耐高温，影响了大跨度空间钢结构整体的安全性，阻碍了钢结构的发展。安全性是大跨度钢结构的一个突出问题【1】。对于这个问题处理不好，将会造成不应有的损失。对于大跨度空间钢结构的稳定性来说，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡；并且钢材本身耐火性能较差,且造型美观等要求，使得防火保护费用惊人,本文对大跨度空间钢结构的安全性设计及耐火性能做了分析研究，提出了大跨度空间钢结构整体安全性设计策略。
一、大跨度空间钢结构整体设计理念
钢结构的特点是质量轻，强度高，并且具备其抗压以及抗拉等相关优点，对于混凝土结构而言，其外观更为直观，强度等级更高。大跨度空间钢结构主要应用在：①城市立交桥段，尤其是交通要道处，如果采用混凝土桥，必然增加施工周期，对于现场交通不能较好地维护。②大跨径海、江、河桥梁（长江大桥、杭州湾大桥等），因为大跨径的要求下，只能考虑钢结构，因为如果采用混凝土结构，根本满足不了大跨径要求，图1为某桥梁（大跨度空间）结构钢示图。
图1 某桥梁（大跨度空间）结构钢局部示意图
大跨度空间钢结构的完整性设计由荷载、材料性能、结构细节构造、制造工艺、安装方法、使用环境及维护方式等多种因素所确定。设计除对结构、构件连接及构造细节按常规考虑强度、刚度要求外，尚需对损伤与损伤容限、断裂与抗断裂作出评定。因国内大跨度空间钢结构因损伤导致局部破坏的实例近几年时有发生，结构损伤构成了对其安全与耐久最大的威胁。在引起设计者对焊接结构损伤、损伤扩展以及结构系统失效过程关注的同时，也引发了人们对如何保证桥梁钢结构系统整体完整性的思考。
二、大跨度空间钢结构安全性防火设计分析
1、温度场分布数值计算的基本原理
传热过程中温度场求解可归结为求解质量守恒(连续性方程)、动量守恒（Navuer-Stokes方程）、能量守恒（能量方程）等守恒定律数学表达式【2】。这些定律在数学上可以抽象成一个基本方程组，张量形式如下所示。其中，代表流体密度，代表流体运动速度，
代表空间几何坐标，是方程的源项。
由于实际问题中传热过程较为复杂，都需要把空间和时间坐标中连续的物理量的场用一系列有限个离散点上的值集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间的代数方程，并进行求解。目前可采用的数值方法主要包括有限差分法、有限容积法、有限单位法和有限分析法等。
火灾燃烧一般经历燃烧初期、完全期和衰退期阶段，多采用“时间平方火”进行模型简化。根据NFPA92B等规范规定，可将火源模型简化为圆锥形（见图1
其底面直径D和高度L可由式（4）计算得到【3】：
（4）
式中：Q为火灾热释放率，为单位面积的热释放率。
图1 火源模型几何简图
本文采用ANSYS进行单个构件的抗火性能研究，并对其进行热―结构耦合分析，图3是真实火灾环境下构件经过瞬态热分析得到的钢梁内部温度场。
图 2主梁有限元模型图
3 真实火灾情况下主梁的温度分布云图
从图中可以发现，温度最高处发生在梁端与柱相连接部位的附近。构件在高温及载荷共同作用下，梁端最先出现塑性变形，是主梁的危险截面，这与试验研究中认为跨中为危险截面的结论不同，这主要是因为在基于整体的构件抗火分析中考虑了构件的实际约束情况。通过对关键构件的有限元分析可以看出，主梁在无保护的状态下，不能满足抗火要求，因此在具体设计时，应考虑采用防火涂料进行防火保护。
三、大跨度空间钢结构整体安全性设计策略
针对以上提出来的大跨度空间结构钢整体安全性设计过程中所遇到的问题，笔者根据多年的工作经验，总结出了以下行之有效的提高大跨度空间结构钢整体安全性的几点措施，希望与同行共同探讨。
1、焊接结构的完整性设计是大跨度空间钢结构整体稳定性的重要因素，其焊接的接头形式因受力的不同而各有差异，其接头部位的应力作用导致了母材结构以及受力性能的不同，同时，在焊接过程中不能100%消除应力，焊接应力通常导致焊接接头的变形，造成焊接接头形成大量缺陷，不能满足大跨度空间钢结构整体性设计要求。所以在大跨度空间钢结构整体设计中，必须考虑焊接接头的设计，在满足相干规范的前提下，必须做到：
①因地制宜地选择形式，并通过焊接性检测要求来获取静力和疲劳等级，来决定焊缝相关形式。
②在焊接设计中，必须详细设计其关键细节，达到焊接中受力均匀，尽可能降低应力。
③在设计中必须考虑焊接检测相关要求，必须以无损检测等相关控制指标来检测焊缝质量。
2、结构内力计算结构内力计算是以边孔采用单悬臂，中孔采用简支挂梁作为结构的计算模式。将大跨度空间钢结构纵向划分为多个单元，并对每个单元截面进行编号，然后进行项目原始数据输入。输入的数据信息有：项目总体信息、单元特征信息、预应力钢束信息、施工阶段和使用阶段信息。按全预应力构件对大跨度空间钢结构结构安全性进行验算。牛腿计算是对预先设计好的牛腿尺寸和配筋分4个步骤进行验算：①牛腿的截面内力。求出截面内力后对各种危险截面进行强度校核；②竖截面验算。按偏心受压杆件验算抗弯和抗剪强度或按受弯杆件验算强度；③最弱斜截面验算。求得最弱斜截面位置后，按偏心受拉构件验算此斜截面的强度；④45°斜截面的抗拉验算。
3. 大跨度空间钢结构抗火性能方面，采取合理的钢构件防火构造处理方案，结构防火保护构造作法应合理、坚固、经济、易于施工，并利于装修。当有非燃烧体的围护或分隔构件与钢构件处于同一轴线时，可利用非燃墙体本身为钢构件提供防火保护，而不需另做防火保护层。而对那些裸露在外的钢构件，则应采用合理的防火保护构造作法。
喷涂防火涂料于钢结构表面可以形成耐火隔热保护层，提高钢构件的耐火极限。对于规范规定耐火极限小于1.5小时的钢构件可喷涂薄型防火涂料，厚度一般为1mm～3mm，这种防火涂料遇火会膨胀，形成比原涂层厚度大十几倍到数十倍的多孔碳质层。而对于规范规定耐火极限大于1.5小时的钢构件，应选用厚涂型防火涂料，厚度一般在7mm～50mm，遇火不膨胀，自身具有良好的隔热性。对于耐火极限要求比较高的高层钢结构可以喷射无机纤维防火护层材料，无机纤维材料具有低密度、高热容、低导热的突出特点，并有很好的附着力，在高温火场中，厚度没有明显的变化，护层不熔化、不脱落，能够使被保护构件达到5小时以上的耐火极限。
结论
要彻底改变大跨度空间钢结构工程质量与安全，除了文中提出的措施外，还需要从设计、制作、安装施工、验收、维护保养等方面层层把关，才能保障其质量和安全等指标的达标和稳定，在钢结构施工、验收、监督、监理等过程中，发挥合力作用，才能达到满意的效果。
参考文献：
范洁群 钢结构主承建项目质量控制研究 2006.
李爱群. 工程结构抗震与防灾 2003.
GB 5001―2006.建筑设计防火规范.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-579248.htm
