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浅议大跨度结构方案审核

发布于：2024-08-01 10:50:01 来自：建筑结构/钢结构工程

来源：钢结构

作者：木子青见

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大跨度结构，顾名思义，是指跨越空间而无需中间支撑的结构体系，它们如同自然界的桥梁，连接着两岸的未知与可能。从古老的罗马万神庙到现代的北京鸟巢体育馆，从轻盈的悬索桥到壮观的穹顶建筑，大跨度结构以其独特的魅力和无限的潜力，不断刷新着人类对于建筑美学的认知与想象。

然而，大跨度结构的设计与实施并非易事，它要求设计师们不仅要具备深厚的理论基础和丰富的实践经验，更要有敢于突破常规、勇于创新的勇气与智慧。每一个方案的提出，都是对材料性能、力学原理、施工技术乃至环境保护等多方面的综合考量与平衡。在这个过程中，任何一个小小的疏忽或错误，都可能导致整个项目的失败，甚至对公共安全造成不可估量的影响。

因此，大跨度结构方案的审核工作显得尤为重要。它不仅是对设计方案本身合理性与可行性的严格把关，更是对设计团队专业能力与责任心的全面检验。在这个过程中，我们需要以结构工程师严谨的视角，审视方案的每一个细节，从结构的稳定性、安全性、经济性到美观性、可持续性等多个维度进行综合评估与优化。

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可行性论证

大跨度结构的方案需结合建筑适用、经济合理、安全可靠、施工可行、工期可控等方面进行比选（至少两个可行方案）
针对不同的跨度可选混凝土、钢结构、钢骨混凝土、预应力混凝土等方案比选
各种方案结构适用情况，适用跨度及高跨比

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一般要求

挠度/裂缝控制标准是否合理（需关注是否过渡设计，比如裂缝宽度是否可适当放松），钢结构较多情况是挠度/刚度控制截面，可以通过起拱解决。特别是悬挑结构是否应组合风荷载，应与设计协商
起拱要求不能直接按照设计总说明，对于大跨度结构应有单独的要求（比如单跨跨中、悬挑端）
大跨混凝土屋面建议采用结构找坡方式减小结构自身荷载
关注关键节点合理性，比如施工便捷（涉及钢骨应注意与纵筋连接做法）、概念清晰（传力直接合理、预应力束的线形、加劲肋的设置、钢筋锚固合理）、经济合理（多方案比选）
关键构件加强（混凝土适当加大跨中底筋，悬挑面筋，保证节点有效；钢结构适当降低应力比；预应力适当加大普通钢筋比例）、次要构件优化（注意次梁的支座是否与假定相符，截面尽量优化减小自重）
舒适度分析，自振频率及加速度是否满足规范限值要求

0 3 预应力方案审核要点

预应力方案的经济跨度
预应力张拉尽量在加强板处，柱宽尽量比梁宽各边大20cm以上，方便后期张拉
预应力筋的布设方案及范围

xx小学运动场连续跨主梁预应力线形可通过降低矢高，可减小配筋
xx中学单跨报告厅主梁预应力线形采用较高矢高导致柱配筋过大，针对单跨可考虑直线型+抛物线形布置
xx音乐厅大跨度屋盖环梁直线型预应力方式不合理，后优化调整

预应力度设置是否合理，普通钢筋是否超配？
预应力作用是否回代计算，单跨结构应注意适当加大柱纵筋

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钢骨混凝土方案审核要点

确认钢骨方案是否必选项，主要是对抗弯和抗剪能力的提高，但钢骨施工对工期影响较大
xx幼儿园仅有部分转换结构考虑了钢骨做法，在施工阶段优化钢骨，缩短工期接近10天，且优化费用约20w
钢骨混凝土方案的经济跨度，钢骨截面尺寸、钢板的厚度合理性（越厚越贵，尤其是>40mm后需要Z向性能）
钢骨截面宜设计为窄翼缘，保证梁纵筋尽可能少的与翼缘连接，方便现场施工
节点表达是否详尽，应考虑各种不同类型的节点做法，比如梁柱节点、悬挑做法、转换梁柱节点、梁梁节点等
有项目因为偷懒未考虑罗列不同节点做法，导致后面深化工作不明确、预算阶段算量遗漏引起结算争议
梁柱两端不能皆为套筒连接，可考虑一端套筒一端连接板，否则将导致现场深化超量

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钢结构方案审核要点

钢结构方案的经济跨度（根据不同跨度选用合理的结构形式，比如实腹梁、平面桁架、空间桁架、网架等形式）
连接节点是否合理并与计算假定相符（支座节点做法及主次构件的节点做法），传力直接、连接有效
大跨梁/桁架平面外应设置次梁或是其他措施保证平面外的刚度/稳定
大跨钢结构应对整体进行屈曲分析，满足规范对于屈曲因子的要求
大跨钢结构应关注施工阶段的安装方案，避免安装阶段的稳定失效

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预应力/钢骨梁/钢结构比选

在承载力方面，由于型钢混凝土梁截面配钢（筋）率上限值相比预应力混凝土梁（配筋率一般按普通钢筋抗拉强度设计值换算）有所增加，其抗弯承载力大于预应力混凝土梁；另外，型钢混凝土梁的型钢腹板参与抗剪计算，抗剪承载力一般也大于预应力混凝土梁。
在控制挠度方面，型钢混凝土梁刚度计算时考虑型钢作用，由于型钢配钢率较大，弹性模量约为混凝土的7倍，可大幅度提高梁的抗弯刚度，减小跨中挠度。预应力混凝土梁由于预应力筋对受拉区混凝土的预压作用，使得更多受压区混凝土参与梁的抗弯刚度计算，提高梁的刚度。另外，预应力筋张拉反拱作用能有效降低梁的等效弯矩作用，进而减小跨中挠度，其效率比型混凝土梁更高。
在裂缝控制方面，型钢混凝土梁由于配钢（筋）率较大，相同荷载条件下，受拉区型钢和钢筋拉应力则会减小，进而减小梁受拉区混凝土拉应变和裂缝宽度；预应力混凝土梁直接给预拉区的混凝土施加压应力，进而减小混凝土拉应变和裂缝宽度。相比而言，预应力混凝土梁对于减小梁的裂缝宽度更加直接有效。
在构造和施工方面，钢结构施工较为简单，且为装配安装方式，对工期有较大优势；型钢混凝土梁中型钢与钢筋混合配制，施工吊装、节点连接、混凝土浇捣受到一定影响，另外，梁端如果刚接，需要在柱中同样埋入型钢。预应力混凝土施工时预应力筋需要焊接定位支架、铺放波纹管、预应力穿束，待混凝土强度达标时进行张拉、灌浆和封锚，需要张拉锚固设备，张拉端施工时应预留张拉空间。二者施工工艺均较普通混凝土梁复杂，相比而言，缓粘结预应力混凝土梁在施工工序、施工质量方面更具优势。
在抗震性能方面，钢结构优于型钢混凝土梁优于预应力混凝土梁。
在造价方面，钢结构费用最高且后期维护繁琐，型钢混凝土梁材料费、施工措施费稍高，加之与型钢混凝土梁连接的柱内也需配置型钢，综合造价较高。预应力混凝土结构成本最低。
综上，当大跨度混凝土梁设计的主要目标为减轻自重、控制挠度和裂缝时，相比而言，预应力混凝土梁更具优势。对于承载力需求大、抗震要求高的大跨度混凝土梁，如转换梁或9度区的框架梁等，建议采用型钢混凝土梁。跨度上有更大要求且平面较为规整的结构可采用钢结构屋面做法。