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大跨度索支承实腹式门式刚架钢结构应用研究
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  j, }( [4 f7 A- \5 y/ ]王元清 石小敏 石永久 张勇 陈宏
: t, R7 X7 m$ ?5 L6 u  N: @& h（清华大学土木系 100084）
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% P+ ?9 u& p  g6 x. |　提要： 本文针对普通大跨度实腹式门式刚架随着跨度的增大经济性指标下降的问题，提出了索支承实腹式门式刚架结构体系。索支承实腹式门式刚架只须通过伸长撑竿施加预应力，比较于其他需要张拉钢索的预应力钢结构它是一种节点构造简单、施工简便，预应力效果明显的结构。本文详细分析了这种结构的受力性能，施工工艺和主要结点构造。通过对某72m跨度的粮食仓库采用索支承门式刚架的实例计算，得出了一些有实用意义的结论和建议，为工程设计和施工提供了参考。
7 B; B) v+ K5 S5 U; l: G1 b3 k　关键词：大跨度 索支承实腹式门式刚架
2 @4 |0 K1 P4 K* i. ?( l6 w一、概述
　　我国有多例跨度60~72米的实腹式轻钢门式刚架工程，包括湛江港从美国引进的60米跨的保税仓库、北京西郊机场从美国引进的一座跨度72米的飞机库，和国内自行设计大连72米门式刚架粮仓储备库，跨度再大的就非常少见。这是因为随着跨度的增大，刚架梁的挠度和梁柱节点弯矩显著增加，对刚架起控制作用的往往是刚架梁的跨中挠度，这时候采用较高强度的钢材不能解决问题，须要加大刚架截面。此时，增大截面是为了控制变形，没有充分利用钢材的强度。
) |& {# L# T. F+ V: c9 D) B　　因此普通大跨度实腹式门式刚架用钢量大幅度增加，经济性指标大大下降，削弱了轻钢结构自重轻这一优势。国内自行设计的大连72米门式刚架粮仓储备库，最大截面已达到1800Ⅹ300Ⅹ12Ⅹ14，用钢量（仅刚架部分，不包括围护结构）达到49.7kg/m2[9]。
) y" q, |. h1 f　　针对上述问题，目前有几种解决方法，例如采用预应力格构式门式刚架、在普通实腹式门式刚架柱顶布置直线式预应力钢索。但是预应力格构式刚架对部分杆件施加预应力，预应力钢索的布置比较复杂，节点构造繁琐给施工带来不便。门式刚架柱顶布置直线式钢索须待刚架整体安装完毕后张拉钢索施加预应力，无法避免高空作业。而且刚架中直线式预应力索的效率往往不能充分发挥作用，而且预应力对梁的平面内稳定非常不利。
　　为了增加斜梁刚度，并降低结构用钢量，本文提出了索支承实腹式门式刚架这种新型预应力钢结构形式。
) I( l0 l, D! H& K二、索支承实腹式门式刚架的结构形式和施工工艺
　　索支承门式刚架梁下的拉索通过三根竖撑杆与刚架梁发生作用，此时的拉索不仅仅是给结构施加预应力的手段，而且成为刚架横梁的下弦杆，较传统采用的紧贴刚架梁下弦布置预应力索的方式具有更大的结构刚度。钢拉索两端锚固在刚架柱顶，梁跨中屋脊位置设置一道撑竿，视刚架跨度和所需预应力大小可在半跨内再各设一道，其中拉索采用高强度钢绞线，撑竿采用双层的套丝钢套管，通过旋动钢套管的外管使撑竿伸长（图1和图2）。

　　索支承实腹式门式刚架的特点在于施加预应力的方法有两种：可以直接张拉钢索施加预应力，也可以通过伸长撑竿施加预应力。后一种预应力施加方法是靠旋长撑杆来实现的，给索支承刚架施加预应力就是通过人为伸长撑竿来张紧和拉长钢索使钢索中产生预应力的过程。拉索预先锚固在柱顶的连接牛腿中（图5），旋长撑竿必然撑紧拉索，也就给拉索施加了预拉力。由于撑竿所受的力是拉索预应力的竖向分力，而拉索于竖直方向夹角接近90度，所以此分力相比于拉索预应力非常小。而旋转撑竿本身又是利用杠杆原理，这样施加预应力是便不需要张拉设备，采用电动扳手甚至于人工便可完成。
　　由于预应力的大小随钢索的伸长量变化，而钢索的伸长量可以通过撑竿的伸长来控制，因此预应力水平易于控制，同时改变撑竿的数目和位置就可以控制加在刚架梁上的向上的顶力。
　　索支承刚架的梁柱节点构造与普通刚架相同，但是撑竿和钢索、撑竿和梁以及钢索和刚架的连接节点需要作特殊处理。两端带有反向螺纹的钢管撑杆一端通过焊接与钢梁相连（图4），另一端焊接在槽形夹片上通过螺栓与拉索相连（图3）。钢索通过多孔夹片锚具锚固在柱牛腿上（图5）。撑竿和梁下翼缘以及槽形夹片的焊接都应采用工厂焊接以保证质量。


三、索支承大跨度门式刚架的力学性能
　　与一般预应力结构一样预应力调整了刚架梁、柱受力状态，降低了外荷载作用下的内力峰值和刚架梁的跨中挠度，从而使预应力刚架比普通刚架的内力和变形有大幅度下降，提高了刚架的承载力、增大了结构刚度。从刚架梁柱节点和梁跨中弯矩在受力全过程三个阶段的变化（图7）不难看出索支承刚架三个阶段的受力就是加载——卸载——再加载的过程。


　　索支撑门式刚架除了具有传统预应力结构增强结构刚度、降低柱顶弯矩及柱脚反力的优点外，还具有一些自身的特点：
　　（1） 较传统预应力门式刚架预应力效果更明显、具有更大的承载能力
　　施加预应力后，不难从刚架内力图（图3）上看出，不仅钢拉索对柱顶产生向内的拉力，同时与传统预应力结构比较撑竿还对刚架产生向上的顶力。向上的顶力能够抵消很大一部分竖向外荷载，因此施加了预应力后的索支撑门式刚架承受外荷载后，梁柱中最终弯矩减小甚至反号。
: S+ ?* L9 x7 X( E　　预应力钢索和撑竿的内力随着外荷载的施加而变化（图8和图9），在起控制作用的竖向荷载作用下钢索和撑竿的内力有显著增加，对整个刚架承受更大的外荷载起到很大作用。
　　（2） 较传统预应力门式刚架结构具有更大的结构刚度
* n' N( T% a5 Y3 h# i2 k, T　　拉索不仅仅给结构施加了预应力，而且成为刚架横梁的下弦杆，无疑较传统采用的紧贴刚架梁下弦布置预应力索的方式具有更大的结构刚度。
- z" I. u" I& _* M3 C此外，在竖向荷载作用下，索支承刚架的撑竿和钢拉索分别对刚架梁和柱起到弹性支撑的作用，增强了刚架特别是梁的刚度。
4 b5 B6 E. C: G( M　　（3）避免刚架梁在平面内失稳
3 V# Q2 N% K% l$ Q　　对于一般屋面坡度较小的实腹刚架来说，刚架横梁的轴向力较小，所以设计时不需验算横梁的平面内稳定承载力，而横梁的平面外的稳定性则靠檩条和隅撑来保证。预应力门式刚架中的横梁面外稳定性同样靠檩条和隅撑来保证，但其面内的力学性能与一般刚架不同。因为拉索中的预拉力在使刚架梁产生上拱变形的同时，还给斜梁施加了一个较大的轴向压力，这样斜梁就成为一个典型的压弯构件，其稳定问题不容忽视。而索支承门式刚架结构则很好的解决了这一问题：索支承结构中的拉索通过竖撑竿杆不仅给刚架施加了预应力，而且竖杆端部也成为了刚架梁在刚架平面内的一个弹性支承点，这样刚架横梁在平面内的稳定计算长度便可大为折减。布置若干个这样的竖杆便可保证了刚架梁平面内的稳定性[2]。
四、实例分析
' Y8 P$ L% z5 K  V　　为分析索支撑实腹式门式刚架的受力性能，本文对跨度72m，檐口高度24m，柱距9m，屋面坡度1：20的某粮食仓库采用索支撑门式刚架进行了计算。
考虑到撑竿在施加预应力过程中伸长量很大，计算时应考虑大变形。本文采用几何非线性方法进行计算，以一榀刚架为单元，按平面结构处理。
施工过程中刚架的实际受荷过程分三个阶段：
# r7 T* A* r' q  f第一阶段——刚架在现场拼装完成后，此时刚架只承受自重。
第二阶段——刚架拼装后，安装钢拉索和撑竿，然后旋撑竿施加预应力，此时刚架同时承受自重和预应力。
第三阶段——刚架在正常使用阶段承受全部使用荷载。
& D: m; D; x  t* p; F  q因此，刚架受力性能分析计算按照以上三个阶段进行。
　　刚架在正常使用阶段的荷载最不利组合考虑以下几种计算工况：
3 g. i" T" |, x3 j　　（1）1. 2恒荷载+1.4活荷载
　　（2）1.0恒荷载+1.4风荷载(向右)
" l7 u( M8 X- B) ?3 X9 B　　（3）1.2恒荷载+1.4风荷载（向右）
　　（4）1.2恒荷载+1.4×0.85（活荷载+风荷载(向右)）
5 w( w% f& P# o- X0 H; e　　通过仔细分析表1中数据和不同阶段刚架内力变化图可以看出，施加了预应力后的梁柱节点弯矩由自重作用下的-503.67KNm增至217.03KNm，梁跨中弯矩由313.78KNm减至-365.96KNm（图7）。此时刚架梁柱的内（应）力几乎与竖向荷载作用下的内（应）力反号，预应力对刚架起到了很好的卸载作用，而且刚架梁柱的应力均不大（表1）。刚架承受外荷载作用时，虽然2、3两种荷载组合作用下由于风荷载对屋盖向上的吸力作用，刚架的内力在施加预应力后的内力基础上略有增加，但结果表明这两种工况引起的最终内力都不起控制作用。在竖向荷载作用下，刚架梁柱节点和跨中内力分别由第二阶段的217.03KNm和-365.96KNm逐渐变到-1273.12KNm和116.05KNm（图7）。
　　施加预应力后刚架梁的跨中挠度由自重作用下的180.2mm（向下）变为263.2mm（向上），柱顶侧移由7.2mm（向外）变为18.8mm（向内）（表1）。
　　对截面进行进一步优化后，上述72m跨度的粮仓采用索支承预应力门式刚架用钢量（仅为刚架部分，未包括钢拉索和撑竿）为32.2 kg/m2，比原来用普通门式刚架（文献[8]）节省用钢量约35％左右。即采用撑竿和钢索施加预应力可以提高大跨度门式刚架的经济指标，从而增大门式刚架的经济适用跨度。
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五、小结
& m, k8 N( C. W' n% D: E　　索支承实腹式门式刚架增大了实腹式门式刚架的实用经济跨度，改善了梁柱的受力性能，提高了承载能力，增大了整体刚度。与直线式布索的普通预应力刚架比较索支承刚架的预应力效果更明显，整体刚度更大，施加预应力的方法施工简便，容易实现。
& n% y" H) R+ {0 s" U/ d. p" w$ ^参 考 文 献
[1] 钟善桐编著.预应力钢结构.哈尔滨工业大学出版社,1986
[2] 陆赐麟 葛亚非.预应力钢压杆的理论及试验研究.建筑结构学报,1990,(5)
4 j5 N1 Y7 A* u# Y6 D; L' a) C0 ~[3] Michael S.Troitsky. Journal of Structural Engineering,1989,(6)
3 |. |/ w+ y- l  W[4] Miloslav Tochacek. Further stability Problems of Prestressed Steel Structure. Journal of Constructional Steel Research,1992,(2)
; i5 U/ x( x: [" F[5] 白正仙.张弦梁结构的理论分析与试验研究.天津大学博士研究生毕业论文,1999
8 n& c5 g. V  {* i5 _[6] 陆赐麟.预应力钢结构技术讲座(1)~(4). 钢结构,1997,(4)~2000,(2)
[7] 吕志涛 孟少平编著.现代预应力设计.中国建筑工业出版社,1998
[8] 宿明彬 胡战波.大跨度门式刚架钢结构轻型房屋建筑的应用,钢结构,2000,(10)
[9] 石小敏 王元清 石永久. 预应力钢结构及其在大跨度门式刚架中的应用研究.钢结构增刊,2000,10
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钢结构住宅加强钢结构体系住宅成套技术研究
　　住宅产业化是我国住宅业发展的必由之路，住宅产业将成为推动 我国经济发展新的增长点。而住宅产业化的前提是具备与住宅产业化 相配套的新技术、新材料和新体系。如新型的墙体及楼板材料，新的 结构体系等。钢结构体系住宅易于实现工业化生产，标准化制作，而 与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料；钢结构建筑 属绿色环保型建筑，可再生重复利用，符合可持续发展的战略。因此， 钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速 发展，而且该成套技术是住宅产业化的核心技术之一，其研究成果的 水平直接影响着我国住宅产业的发展水平和发展前途。

6 N1 Z8 i2 E# a0 R, _# R1 c% i　　我国年钢产量已高达1．2亿吨，而钢材在建筑钢结构中的使用量 却极少，所占比例不到1％，距发达国家相差十几倍甚至二十几倍。国 家建设部及国家冶金工业局成立了建筑用钢领导小组，其主要任务就 是促进在建筑上用钢的比例。因此，钢结构建筑，尤其是占建筑比例 较大的钢结构住宅建筑是我国重点发展的对象。国务院72号文件也特 别提到了钢结构体系住宅的发展。钢结构具有重量轻、抗震性能好、工业化生产程度高和施工速度 快等重要优点。虽然我国将钢结构已经用于高层、超高层建筑、轻钢 厂房以及大跨度的空间结构中，并且制订了相应的规范、标准，但在 住宅建筑中还极少甚至可以说还没有完整的钢结构体系住宅，属国内 空白，没有相应标准。因此，经济合理、安全可靠的钢结构体系还没 有进行系统的研究，例如对不同层数和高度的住宅应采用不同的结构 形式，是采用纯钢框架或支撑框架，还是采用钢框架加混凝土剪力墙 以及钢骨混凝土结构或钢管混凝土结构，其钢构件的截面型式是采用 热轧H型钢，还是采用焊接H型钢，还是采用箱型截面更合理等等。结 合住宅的可改造性，灵活分隔的特性，加强采用巨型结构加子结构， 主结构构件与非主结构构件相结合可以拆移重新组装的结构体系的研 究也十分必要。研究钢结构新的防火措施，研制并应用耐火钢也具有 重要的经济和社会效益。新型的节能墙体材料可在我国目前现有的产 品基础上进行技术改造，提高技术含量，生产出高品质的墙体板材， 现场施工便捷，施工质量易于保证。楼板型式应是与钢结构体系相配 套的研究内容。
, e1 |( L+ h* }- t% M/ h# f! T& I+ z
# }+ t4 r% h: w6 N9 `　　然因各国的情况不同，在节能环保型钢结构体系住宅的发展途 径和方式各有所不同，在欧洲及美国，该住宅主要用于多层结构，因 为其高层住宅较少。而在日本由于地震的经常发生，故而大量采用这 种结构体系的住宅。据悉，台湾大地震调查结果表明，在强地震带附 近凡是没有倒塌的建筑几乎全部是钢结构建筑，因此在新建的住宅及 其他建筑中几乎全部是钢结构方案。 　　
2 o$ a8 G! [8 Q% [　　从住宅建筑的发展来看，钢结构住宅具有以下技术优势： 　　
1．比起传统的结构，可以更好的满足建筑上大开间、灵活分隔的 要求，并可以提高使用面积率5％～8％。 　　
2．与钢结构配套技术的轻质墙板、复合楼板等采用新型材料，符 合节能建筑的要求。 　　
3．钢结构构件及其配套技术相应部件绝大部分可以实现工厂化制 做、产品化。 　　
4．钢结构住宅体系可以实现住宅建筑技术集成化的产业化新思路。 　　
8 C5 X1 `7 D4 B7 K, \5 h5．钢结构住宅体系工业化生产程度高，现场湿作业少，符合环保 建筑的要求。 　　
6．钢结构体系自重轻（约为混凝土结构的一半），可以大大减少 基础的造价。 　　
7．钢结构体系施工周期短（约为混凝土结构的1／3至1／2），可 以大大缩短投资资金的占有周期，可以大大提高资金的投资效益。

3 L' H4 G/ L+ }7 i　　8．钢结构体系住宅直接造价略高于混凝土结构，但其综合效益却 明显高于传统的住宅体系。 　　
经过对国内外该领域研究成果的查询及调研，我国目前虽然还没 有完全成熟的成套技术及产品，但却有相当好的基础，而且经过技术 引进和改造完全可以在较短的时间内建立起具有技术创新的成套技术 和产品。由于过去缺乏技术引导，市场需求没有达到产业化程度，因 此目前的相关产品功能性单一，工业化程度还不够高，产品质量还不 能满足住宅产业化的标准。目前该技术零散而不系统，技术水平及标 准参差不齐，不配套，需进一步研究创新并进行整合。 　　
. n9 I- U5 Z( e4 z7 D    钢结构体系住宅成套技术以新产品和新技术两种形式产出。新产 品需在具备良好生产条件能满足需求技术水平的指定企业进行生产， 由少量试生产到规模批量生产，形成完整的质量保证体系，确保质量 的稳定性。新技术在试验研究的基础上，经过专家论证，并交施工企 业联合探讨实施过程中的技术措施和技术保障，以及质量管理体系的 建立，从而使该技术在实际使用条件下具有很好的可靠性。

　　虽然我国目前还没有钢结构体系住宅专门的技术规范，但可以参 考已有的《钢结构设计规程》、《高层民用建筑钢结构设计规程》、 《建筑防火设计规程》、《住宅建筑设计规范》等。 　　
节能、环保型钢结构体系住宅成套技术从主体结构体系到围护结 构体系都应进行具有创新意义的研究开发，其研究成果将填补国内空 白。具有绿色建筑美誉的钢结构，其材料可再生利用性、可改造性为 我国实施可持续发展战略提供了很好的条件。节能环保型的墙体材料 将开辟我国墙体改革的崭新一页。

　　为了有利于钢结构体系住宅开发，应具体从以下几个方面进行研 究开发： 　　
1．首先要研究开发并设计出经济合理的，具有广泛推广价值的钢 结构体系。 　　
! E( t8 ^/ U* u0 W/ q# g! B2．创立与钢结构体系相配套的产品及技术体系，如内外墙板产品 系列、楼板系列及防火材料和防火技术措施体系。 　　
' H2 i6 E$ ]9 y! j/ `2 C3．建立企业的钢结构体系住宅成套技术标准。 　　
' l. m5 q5 q% H1 P0 X# ~4．形成符合企业标准的钢结构体系住宅成套产品的定点生产企业 及厂家网络，按照不同的技术要求及产品标准安排相关企业进行生产。

- m4 K& z- v3 u; D- y　　由于该技术产品最适用于规模生产，为住宅产业化提供技术条件， 但是由于其技术产品的转化又依赖于住宅产业化的程度，所以该技术 将伴随着我国住宅产业的发展而越来越显示其重要的价值。
8 L: N0 u* |! _! b  |4 y5 }, V$ D冶金部建筑研究总院杨蔚彪博士
3 V; ^. r4 q8 ~/ b2000-11-24
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! d/ G/ k$ w; T9 A' S6 x- _. t* W钢结构抗火设计方法的发展
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- D2 r, y/ }; |李国强
同济大学

6 v. B3 L5 g1 d一、火灾对钢结构的危害
1 g; ^: s; W: U钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，温度为400℃时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，温度达到600℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度。因此，当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏。例如，1967年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾，钢结构屋顶被烧塌，1970年美国50层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲10cm左右；1990年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢梁、钢柱和楼盖钢桁架的严重破坏；1993年我国福建泉州一座钢结构冷库发生火灾，造成3600m2的库房倒塌；1996年江苏省昆山市的一轻钢结构厂房发生火灾，4320m2的厂房烧塌，1998年北京某家具城发生火灾，造成该建筑（钢结构）整体倒塌。表1是我国一些建筑物的钢结构屋盖在发生火灾倒塌的实例。
; X  Z: z* Q+ K9 F建筑名称  结构类型  火灾日期  破坏情况
, a7 l( W" N) n& i1 |6 p6 E: C" R重庆天原化工厂  钢屋架  1960.2.18  20min倒塌
( `- B) ~% \2 F8 v" T2 ~6 N3 V上海文化广场  钢屋架  1969.12   倒塌
( H( U0 D' c8 v! e0 R) F天津市体育馆  钢屋架  1973.5.5  19min倒塌
' \& y$ G4 e  ]9 x长春卷烟厂  钢木屋架  1981.4.5   倒塌
. N* r" g4 R4 r# ~/ `北京友谊宾馆剧场  钢木屋架  1983.12  20min倒塌
唐山市棉纺织厂  钢梁  1986.2.8  20min倒塌
: A: D, M$ i# D2 N北京高压气瓶厂  钢屋架  1986.4.8   倒塌
  {9 M4 S. A* q7 C, T. P江油电厂俱乐部  钢屋架  1987.4.21  20min倒塌

" {, g% k/ ~1 I8 g* c二、结构耐火极限
& w$ U) |  b! F; A# N# @长期以来，建筑防火被认为是建筑师设计时需考虑的问题，结构工程师设计时考虑结构防火（对结构更适合称抗火）问题的不多。确实，建筑的防火分隔、避难层的设置、安全疏散出口的布置等为建筑防火设计问题，目的在于减轻火灾损失，减少人员伤亡。然而，作为防火分隔的防火墙靠结构支承，如果火灾中支承结构破坏，防火墙也起不了防火分隔作用；还有避难层下的结构如果达不到耐火时间要求而破坏，造成的人员伤亡将更为严重；此外，建筑结构构件（如梁、楼板、楼梯等）在火灾中如果破坏，会影响人员的疏散和消防人员进入建筑内灭火。因此各国建筑防火设计规范都有建筑结构构件耐火时间（或耐火极限）的规定。表2是我国规定的各类建筑结构构件的耐火极限。
0 D8 v& @2 |  |+ X8 ?耐火等级燃烧性能和耐火极限（h）构件名称  一级  二级  三级  四级
墙  防火墙  非燃烧体4.00  非燃烧体4.00  非燃烧体4.00  非燃烧体4.00
8 T/ ?, p/ i7 G$ ~3 U  承重墙、楼梯间、电梯井的墙  非燃烧体3.00  非燃烧体2.50  非燃烧体2.50  难燃烧体0.50
柱  支承多层的柱  非燃烧体3.00  非燃烧体2.50  非燃烧体2.50  难燃烧体0.50
8 H* \7 V; A, y1 I) h/ A% v$ q  支承单层的柱  非燃烧体2.50  非燃烧体2.00  非燃烧体2.00  燃烧体
* ~, V! l- [: W9 U( c梁  非燃烧体2.00  非燃烧体1.50  非燃烧体1.00  难燃烧体0.50
楼板  非燃烧体1.50  非燃烧体1.00  非燃烧体0.50  难燃烧体0.25
屋顶承重构件  非燃烧体1.50  非燃烧体0.50  燃烧体  燃烧体
疏散楼梯  非燃烧体1.50  非燃烧体1.00  非燃烧体1.00  燃烧体

三、钢结构抗火设计的目标与意义
钢结构抗火设计的目标就是使结构构件的实际耐火时间大于或等于规定的耐火极限。钢虽为非燃烧材料，但不耐火，在火灾高温下，结构钢的强度和刚度都将迅速降低（图1），而火灾升温迅速（表3），故无防火保护的钢构件在火灾中很容易破坏。因此钢结构抗火设计的一般要求是：如何定量地确定防火保护措施，使得钢结构构件的耐火时间大于或等于规定的耐火极限。
  c& v5 n2 \- e/ z/ _1 c  b    进行结构抗火设计具有如下意义：
, e/ H4 H! C4 q（1）减轻结构在火灾中的破坏，避免结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散困难；
（2）避免结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡；
（3）减少火灾后结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。
. O& m% C- s+ F" B2 o: E
# N: s6 S2 B8 _% t四、传统的钢结构抗火设计方法
, a9 Q- e/ P9 \; |3 G5 x4 f. z    传统上，建筑结构构件的耐火时间由试验确定。进行建筑防火设计时，涉及到结构构件，只要对比由试验得出的耐火时间是否满足规定的耐火极限即可，因此结构工程师关于结构抗火计算与设计的观念较为淡薄。
    实际上，将构件从结构中孤立出来，施加一定的荷载，然后按一定的升温曲线加温，来测定构件耐火时间的方法，存在很多问题。首先，构件在结构中的受力，很难通过试验模拟，实际构件受力各不相同，试验难以概全，而受力的大小对构件耐火时间的影响较大；其次，构件在结构中的端部约束在试验中难以模拟，而端部约束也是影响构件耐火时间的重要因素；再次，构件受火在结构中会产生温度应力，而这一影响在构件试验中也难以准确反映。正是注意到试验的上述缺陷，结构抗火设计方法已开始从基于试验的传统方法，转为基于计算的现代方法，特别是英国、瑞典、美国、日本等从70年代就大量开展了考虑上述诸因素的结构抗火计算与设计方法的研究工作。
3 {" V* y& l0 V7 \7 G, F    从以前发生的钢结构建筑火灾案例可以发现两类现象，一类为有防火保护的钢结构在火灾中因没有达到预期的耐火时间而破坏，另一类为有防火保护的钢结构在超过预期耐火时间的火灾中并没有破坏。经分析，造成这两类现象虽有实际火灾升温与标准火灾升温不一致的原因，但另一个重要原因是，由试验确定的构件耐火时间，不能完全代表构件在真实结构中的耐火时间，从而造成不安全或过于保守使材料浪费的后果。因此通过计算进行钢结构的抗火设计，其意义是显著的。实际上，目前英国、瑞典、美国、日本、澳大利亚、欧盟等国家或国际组织都专门编制了钢结构抗火设计规范，其中均规定了进行结构抗火计算的内容。
6 D- s& j5 d4 a( K( L
) v% N* {' V* Q& V( V+ z* I五、基于计算的现代钢结构抗火设计方法
) Y* O3 @5 D: y  ~    基于计算的钢结构抗火设计方法可以免除传统的基于试验的钢结构抗火设计方法所存在的问题，目前已被各国普遍接受并在设计规范中采纳。这种钢结构的抗火设计方法以高温下构件的承载力极限状态为耐火极限判断，考虑温度内力的影响，在我国第一部钢结构抗火设计标准《上海市钢结构防火技术规程》中即采纳了这种方法，其计算过程如下：
（1）采用确定的防火措施，设定一定的防火被覆厚度。
4 \5 B4 U( a! f' [6 U（2）计算构件在确定的防火措施和耐火极限条件下的内部温度。
; Y- [& Z3 `/ X9 H  P% {（3）采用确定高温下钢的材料参数，计算结构中的该构件在外荷载和温度作用下的内力。
（4）进行荷载效应组合
（5）根据构件和受载的类型，进行构件耐火承载力极限状态验算。
（6）当设定的防火被覆厚度不合适时（过小或过大），可调整防火被覆厚度，重复上述（1）~（5）步骤。

六、结构抗火设计方法的发展趋势
9 ~+ s$ a+ ~( e; r1 j! ^& J/ Z    结构的主要功能是作为整体承受荷载。火灾下结构单个构件的破坏，并不一定意味着整体结构的破坏。特别是对于钢结构，一般情况下结构局部少数构件发生破坏，将引起结构内力重分布，结构仍具有一定继续承载的能力。当结构抗火设计以防止整体结构倒塌为目标时，则基于整体结构的承载能力极限状态进行抗火设计更为合理，目前结构火灾下的整体反应分析尚是热门研究课题，还没有提出适于工程实用的方法被有关规范采纳。
5 _5 u* `* W$ H  W: m& p6 L    现代结构设计以概率可靠度为目标，因火灾的发生具有随机性，且火灾发生后空气升温的变异性很大，要实现结构抗火的概率可靠度设计，必须考虑火灾及空气升温的随机性。考虑火灾随机性的结构抗火设计方法尚是有待研究的一个课题，但必将是结构抗火设计的发展方向。

7 }, x4 [, P: g. u: _# v9 E[ 本帖最后由 技术型工人 于 2007-4-24 08:57 编辑 ]

我国大跨度空间钢结构的发展与展望
浙江大学 董石麟
& Q: S" M) ~; x$ p摘要
　　本文阐述了我国大跨度空间钢结构应用与发展的基本情况。这些空间钢结构包括有大跨度、大面积网架结构、大跨度、大悬臂网壳结构、组合网架结构、组合网壳结构、预应力网架与网壳结构、斜拉网架 与网壳结构、铝合金、不锈钢等材料的网架与网壳结构、特种网架与网壳结构等。最后本文展望了二十一世纪的大跨度空间钢结构。
& v6 p- Z$ T9 @关键词
' n; c% m6 r) f; ?  D　　大跨度结构；空间钢结构；空间网格结构；应用与发展；展望
1.前言
- ], b; S6 x' f1 j8 A　　本文所指的大跨度空间钢结构主要是指网架、网壳结构及其组合结构(两种或两种以上不同建筑材料组成)和杂交结构(两种或两种以上不同结构形式构成)。这是一类结构受力合理、 刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系，在近一二十年来获得蓬勃发展，并在大跨度、大柱网的公共和工业建筑中得到广泛应用。它不仅可用于屋盖结构，而且可用于楼层结构、墙体结构和特种结构。
　　我国自1964年建成第一幢网架结构--上海师范学院球类房屋盖以来，据不完全的统 计，至1999年底我国已建成各类网架、网壳结构10000幢(其中网壳结构占4％为400幢)，复幢建筑面积约1200万平方米。目前，年增长的复盖建筑面积为80．100万平方米。我国网架、网壳结构生产制造厂已超过100家，如徐州飞虹网架集团公司、杭州大地网架制造有限公司、常州网架厂等，逐步形成了一个新兴的空间钢结构制造行业，可进行批量规模生产。
2.大跨度、大面积网架结构
3 W. s. ^3 c2 r5 o; n( X　　众所周知的首都体育馆，平面尺寸99m×112．2m，为我国矩形平面屋盖中跨度最大的网架。上海体育馆，平面为圆形，直径110m，挑檐7．5m，是目前我国跨度最大的网架结构。
2 H. G/ z- O* s& t  ?: ]　　1996年建成的首都机场四机位机库，平面尺寸(153十153)mx90m[1]，见图1；1999年新建成的厦门机场太古机库，平面尺寸(155十157)mx70m，是我国当前建筑复盖面积最大的单体网架结构，也是目前世界上最大的机库。如包括前几年建成的成都双流机场机库，(平面尺寸87mx140m)、上海虹桥机场机库(平面尺寸95mxl50m)等，表明了中国大型机场的机库都采用了大跨度网架结构。
　　近十年来，网架结构在我国工业厂房屋盖中得到大面积的推广应用，其建筑复盖面积超过300万平方米，这在世界上是领先的。云南玉溪卷烟厂的连片网架厂房达12万平方米。工业厂房网架中跨度最大的为60m的上海江南造船厂新建厂房[2]。
　　为增大结构刚度、降低内力峰值、小材大用、方便制作、运输和安装，我国在八十年代后期开始采用三层网架，至今共建成10 幢。首次建成的三层网架是长沙黄花机场机库屋盖[3] 尺寸48m×64m，网架高5m，开口边为四层网架，高7．5m。前面提到的首都机场四机位机库，采用斜放四角锥焊接球节点三层网架，两块网架的实际平面尺寸为84m×150m，网架6m，也是我国跨度最大的三层网架。
3.大跨度、大悬臂网壳结构
　　1994年建成的天津新体育馆，平面为圆形，直径108m，挑檐13．5m，总直径达135m，曾是我国圆形平面跨度最大的球面网壳。1998年初建成的长春体育馆，平面为120mxl66m枣形，连同支架的平面为146m×192m，是当今我国跨度最大、复盖建筑面积最大的网壳结构[4]]，见图2。我国长期以来网壳结构跨度未突破百米大关的历史已成过去。
8 k5 `5 X" G4 u; @" a! ^4 E　　正在建设中的深圳市市民中心大屋顶采用了平面尺寸为(154-120)m×486m大鹏展翅形 变厚度、双曲率网壳结构，在纵向分为三段，两翼支承在18个树枝形(双向W形)柱帽上，中部支承在36m大圆筒及36m×48m大方筒的侧壁上，建成后使我国复盖建筑面积最大的网壳结构将再创新的记录。
# P9 }" N2 V$ a0 d6 k　　在电厂干煤棚工程中采用网壳结构是近几年来发展起来的，已建的工程有十多幢。嘉兴电厂干煤棚(跨度103．5m，长度80m)和1998年建成的杨州第二发电厂干煤棚(跨度103．6m，长度120m)[5]是我国矩形平面最大跨度的两幢三心圆柱面网壳。为增加网壳的刚度、改善受 力性能，台州电厂干煤棚(跨度80．1m，长度82．2m)采用了纵向带折线形的圆柱面网壳[6]，见图 3。1999年建成的漳州后石电厂干煤棚，采用了直径125m的超过半球的球面网壳，成为我国跨度最大的球面网壳。电厂干煤棚采用网壳结构的平均用钢量为50-70kg／m2，比以往采用门式刚架或拱结构的平均用钢量80-125kg／m2降低了40％以上，其经济效益是十分明确的。
! h8 q) s+ G. }& O) k& C　　大型体育场的挑篷采用空间网壳结构有日益增多的趋势。1992年建成的深圳体育场周 圈挑篷(沿环向分为12段)，采用变高度螺栓球节点双层正放四角锥网壳结构，挑篷宽度31m，悬挑25．5m。为昆明99'世博会开幕用的昆明拓东体育场挑篷，首次采用周圈连续的变厚度双层正放四角锥网壳结构，挑篷宽度34m，悬挑26m。上海八运会八万人体育场挑篷采用了大悬臂大网格双向交叉桁架结构与支承模结构组合而成的杂交结构[7]，复盖建筑总面积36100m2，最大悬臂跨度为73．5m。两向交叉桁架共构成57个大网格，其上架立57个由8根拉索1根压杆组成的伞状拉索结构，并敷设美国进口的乳白色半透明膜材面层。这是我国悬臂跨度最大的外形呈马鞍形的交叉桁架--支承膜杂交结构。
: ^' T) L4 W" ^4 j9 f4. 组合网架结构
　　以钢筋混凝土上弦板代替钢上弦杆的组合网架结构是近十多年来开发的新结构体系E8][9]，它可充分发挥混合土受压、钢材受拉两种不同材料的强度优势，使结构的承重和围作用合二为-。
7 s* z* ]' T+ F  c* Z- P4 L" N　　我国已建成40幢组合网架结构，它用于屋盖结构，也用于多层和高层建筑的楼层结构， 形式之多、跨度之大、应用范围之广在世界上是领先的。1980年在我国首次建成了平面为21m ×54m的蜂窝形三角锥组合网架，用于徐州夹河煤矿大食堂屋盖；跨度最大的组合网架是1987 年建成的45．5m×58m江西抚州地区体育馆屋盖；用于多层建筑中跨度最大的组合网架1987年建成的35m×35m新乡百华大楼(加四层)楼层结构，见图4；用于高层建筑楼层结构合网架的是平面24m×27m长沙纺织大厦(地下二层、地上十-层、柱网10mxl2m及7x 12m)[10]。
" m. ]7 Z; E! K# P/ ^5． 组台网壳结构
, u/ x# y, @1 _; X( I0 e　　当在单层钢网壳结构上敷设的预制带肋混凝土面板在连接灌缝形成整体后不仅起围护作用，而且起承重作用，从而形成由钢网壳与钢筋混凝土带助壳两种不同材料与不同结构形式组合而成的新型空间结构--组合网壳。由于组合网壳的协同工作，大大改善了单层钢网壳的性能，通常情况下，组合网壳的设计不是由单层钢网壳的稳定性控制。
, F3 i' Y- t0 Z* T% \0 U( U4 P8 `　　这种组合网壳在我国已建成10幢，它应用于民用建筑，也用于工业厂房。早在1984年就建成18m×24m三向型双曲组合扁网壳，作为山西汾西矿务局工程处食堂屋盖。1993年及1994年共建成四幢直径34．1m的肋环型组台球面网壳，用于山西潞安矿务局常村矿井洗煤厂倒圆锥台煤仓的顶盖；在施工拼装第三幢组合网壳时，未设置中心临时文撑(施工第一、二幢时是设置的)，曾发生单层钢网壳翻面失稳的事故，这是应该吸取经验教训的[11]。
6． 预应力网架与网壳结构
  J1 N0 C9 Y, B6 P% I% l: n/ D, g1 c( @　　把现代预应力技术引用到网架与网壳结构中去，可起到提高整个结构的刚度、减小结构挠度、改善内力分布、压低应力峰值的作用，从而可降低材料耗量，具有明显的技术经济效果。因此，预应力网架与网壳结构是一种新型的有广阔发展前景的空间结构。
* ~+ S3 R5 E$ m1 f8 B. l　　我国已建的预应力网架与网壳结构工程约有10幢。1993年建成的上海国际购物中心七、八层楼，采用在下弦平面下20cm处增设四束高强钢丝铸锚束的预应力正放四角锥组合网架，平面尺寸27m×27m，截去一个腰长为12m的等腰三角形，见图6，采用预应力后节省钢材用量32％[12]。
& g# _5 Z, z4 c. B  L　　广东清远市体育馆，采用六支点预应力六块组合型三向扭网壳，见图7，平面尺寸为边长46．82m正六边形，对角柱跨度89．0m，周边设六道预应力拉索，每索选用4索9×75，建立预应力值1600kN[13]。四川攀枝花体育馆，采用八支点预应力短程线型球面网壳，平面尺寸74．8m×74．8m缺角八边形，对角柱跨度64．9m，周边设人道预应力索，每索建立预应力值700kN，比非预应力钢网壳可节省用钢量25％[14]。
7． 斜拉网架与网壳结构
　　斜拉网架与网壳结构通常由塔柱、拉索、网架与网壳结构组合而成，是大中跨度建筑一种形式新颖、协同工作的杂交空间结构体系，它具有增加结构支点、减小结构挠度、降低杆件内力、发挥高强拉索优势等特点，也是一种内部空间宽广、造型新奇、颇有景点特色的大跨度建筑。
　　我国目前已建成的斜拉网架与网壳结构有10幢。具有代表性如1993年建成的新加坡港务局(PSA)仓库，采用4幢A型6塔柱平面为120m×96m、2幢B型4塔柱平面为96m×70m共 6幢斜拉正放四角锥网架，每塔柱设有四根斜拉索[15]。北京亚运会综合体育馆，采用双塔柱两块组合型斜放四角锥人字形剖面的圆柱面网壳，平面尺寸70m×83．2m，屋脊处对每塔柱设8 根共16根平面单向拉索[16]。1995年建成的山西太旧高速公路旧关收费站，采用独塔式斜拉左右两块正放四角锥圆柱面网壳，总平面尺寸14mx64．718m，共设有全方位布索28根[17]。
8． 铝合金、不锈钢等材料的网架与网壳结构
　　由于要减轻结构自重、抵御大气腐蚀作用和提高建筑美学效果，近年来在我国兴建了采用铝合金、不锈钢、耐侯钢等金属材料的网架与网壳结构。
　　我国目前共建成四幢铝合金网壳、一幢铝合金网架。1996年建成天津市平津战役纪念馆为我国首幢铝合金三角形网格单层球面网壳，底平面直径45．6m，矢高33．83m，最大球面直径48．945m(3／4球面网壳)，网壳重34．4吨，连同铝合金屋面板的总重58．7吨[18]。作为上海八运会的体育馆之一的上海国际体操中心主馆，见图9，采用铝合金扇形三向型(K6-8型)一葵花三向型网格单层球面网壳[19]，平面直径68m，矢高11．88m(连同柱子形成扁球体外形的最大平面直径77．3m，总高度26．5m)，球面曲率半径55．37m，该网壳由262节点、1200根铝合金工字型截面杆件组成，网结构自重仅12kg／m2(其中还包括1．3mm厚铝合金屋面板重3．64kg／m2)。由见可见，铝合金网壳的自重要比同等跨度的钢网壳至少要轻50％以上。1999年还建成了上海杂技馆，也采用铝合金扇形三向型--葵花三向型网格单层球面网壳。这三幢铝合金单层网壳均是美国TEMCOR公司设计制作的专利产品"圆弯屋顶"，这种"圆弯屋顶"在世界上已建成数千个。此外，上海浦东游泳馆屋盖也采用了美国TEMCOR公司的铝合金网壳结构，所不同的它是一种双层圆柱面正放四角锥网壳[20]，见图10，平面尺寸(54．0-58．0)mx72．0m(一边带圆弧形)，网壳厚2．4m，曲率半径l00m，连同铝合金屋面板总重量为92.63吨，即23kg／m2。
7 V* D3 H( `9 K' Y　　某航天实验研究中心零磁试验室，采用了我国自行研制、设计、制造的螺栓球节点铝合金全网架结构(包括屋盖与墙体)[21]，平面尺寸22m×30m，墙体高度11m，由921个球节点近4000根杆件组成，按展开面积的材料用量仅8．56kg／m2。
3 X/ E; v& _, I3 n　　上海新海关大楼高层屋顶，采用了不锈钢K6-9型焊接球节点单层球网壳，平面直径22．06m，高矢6．0m，该网壳采用国产不锈钢，通过材性试验与Q235钢的抗拉强度相当，可焊性好，网壳由浙江大学设计、杭州大地网架制造有限公司制作、安装，系我国首例单层球面不锈钢网壳，现已使用四年，效果良好。作为装饰用的不锈钢小品网架、网壳现在国内已开始较多采用。
  x$ f3 `' g5 X- @8 w' X　　上海东方明珠二期工程--国际会展中心采用了大球直径为49m、小球直径为38m共两个耐侯钢方管杆件的肋环型单层球面网壳，于1999年五十周年国庆前夕建成，为上海浦东增添了一个新景点。该网壳结构工程由上海冶金建设有限公司等单位研究、设计、制作、安装完的。
9． 特种网架与网壳结构
1 f7 r; R" f1 D7 @　　我国的网架、网壳结构除广泛用于工业与民用建筑的屋盖和楼层外，还用于形态新颖、功能各异的特种结构，兹分述如下：
& O& ~' K7 Z8 |  B- s6 p9.1 塑像骨架
　　塑像骨架已用于1997年建成的广东南海大佛的12支点多层多跨网架骨架，见图11。佛像结构高度46m，最大平面尺寸为30m×35m曲多边形，网格尺寸3mx3m，每层高度2m，整个网架共由1118个节点(支座及一层为焊接球节点，其余为螺球节点)和5218根杆件组成，材料用量约200吨[22]，这是世界第一个塑像网架骨架。
3 D+ S7 Y2 o: A  W9.2 标志结构
　　标志结构可作为某一地区、某一城市的表征，如温州市地标，采用总高40．8m，跨度30m的螺栓球节点网架结构[23]。
9.3 各种用途的整个球面网壳结构
　　1991年建成的北京中国科技馆球幕影院，采用直径35m短程线型双层球面网壳；1990年建成的徐州电视塔塔楼，采用直径21m单层联方型全球网壳，并采用地面组装、整体提升到99mm设计标高就位的施工安装方法[24]；上海东方明珠电视塔，选取装饰用的单层联方型全球网壳；大连友谊广场中心采用直径为25m、镶嵌镜面的水晶球网壳；杭州满陇桂雨公园寒宫，用29m直径整球面螺栓球节点双层球面网壳等。
9.4 高耸塔架
/ a0 c" R, Q& D; w　　除通常用于输电塔架外，合肥金斗城大型高志高层部份的第17至24层采用螺栓球节点两向正交正放高层网架塔楼，1994年建成，使用效果良好。大连电视塔塔身采用双层圆柱面正放四角锥网关塔筒结构。
9.5 网架墙体
( h5 j$ @/ `* S3 w　　已用于张家港钢铁厂竖炉电炉炼钢及连铸车间侧墙(柱距24m，个别12m，檐口标高 38．4m)和山墙(两跨27m十30m)，用钢指标分别为23．0kg／m2及26．2kg／m2，比传统墙壁骨架案分别节省9．0kg／m2及21．8kg／m2[25]。此外，还用于徐州通域集团空间结构制造厂新建8000m 网架车间的侧墙。
9.6 网架桥梁
　　已用于上海阂行区新梅人行天桥，桥长110m、宽4．0m，由上、中、下三层螺栓球节点网架组合而成，下层网架采用正放四角锥网架，它和盖梁相连，且支撑桥面系供人行走；中层网架为桥梁造型的主要立面；上层网架与中、下层网架协同工作，且支撑屋面板；此座网架桥梁的用钢量为64吨，比采用钢箱梁方案为202吨有大幅度的节省。此外，还用于贵阳大十字过街人行环形天桥。
9.7 装饰网架
: Y4 Y8 v& w0 t) v! j　　在亭、廊、天井、门厅等形态各异的采光或非采光屋盖结构中广泛采用，也在各种网架小品中采用。
% P( {8 _' l; q# n; l& h10．展望
　　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。
10.1 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。
10.2 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。
0 e  z% L1 v; N1 F, N% u; H+ H10.3 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。
10.4 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。
10.5 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。
; _9 W5 F+ _7 u3 c6 z. A10.6 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.

内容挺多的,点到钢结构设计的重要方面,值得学习.谢谢.看好，再发表一些看法

平常接触钢结构比较少，难得学习一下专家们的论文和观念，谢谢楼主的帖子

有没有公路和铁路桥在钢桥应用上的发展区别啊？