大跨度钢结构关键问题分析与研究

张春霞

（河北省张家口市建筑设计院有限责任公司，河北 张家口075000）

引言

随着我国经济建设的蓬勃发展，网架、会堂、剧院等大型公共建筑以及不同类型的工业建筑获得了广泛应用。同时我国大跨钢结构也得到了广泛的发展和应用。大跨钢结构的形式逐渐多样化，技术日益成熟，尤其是预应力技术和新材料的应用进一步推动了大跨钢结构的发展。在发展的同时，大跨钢结构存在一些共性的问题，值得我们进一步关注。

1 结构稳定问题

大跨钢结构在进行稳定分析与设计时，要求结构分析和设计人员对整体稳定的基本概念、失稳的类型及产生失稳的原因予以预见，才能在工程实践中，运用正确的计算方法，采取合理的计算模型，避免采用错误的推论，得到安全可靠的工程成果。以下是在大跨钢结构稳定分析，常见问题。

1.1 临界荷载的近似估计

在设计的初步阶段，结构设计人员要根据以往设计经验和拟定结构类型，预先假定拟建结构的临界荷载值，大跨空间结构首先应考虑稳定问题，因其结构反应呈非线性特性，因此只能通过简化模型进行分析，对结构的临界荷载作出近似估计，确定临界荷载。可采用刚度等效的原则，计算结构失稳时的内力及确定失稳状态，合理的临界荷载近似值是有效的确定结构类型的首要条件。

简化模型的计算杆件数量比工程实际构件数量少，因此简化模型可以验证结构体系是否稳定，及确定主要受力杆件的应力分布情况，从而确定结构体系采用是否合理。对于实际每一个杆件的应力研究和计算，须在验证了结构稳定后，采用分解和有限元法等计算方法予以确定。

1.2 预测结构失稳类型

设计人员在设计的方案制定阶段，应预见性的判别结构方案的失稳类型，判断结构的破坏类型是突发的脆性破坏还是有预兆的延性破坏，有无破坏荷载的安全储备，以及引起失稳的主要因素。据此从候选方案中，选择性能优越的结构体系进行下一步的计算分析。若对结构进行精确的非线性分析，能够定性的预测结构的可能失稳类型，将对非线性分析数值模型和分析方法的选择提供有益的概念指导。

工程实践表明，许多大跨结构从传统的结构形式很难予以界定，纯粹单一的结构形式很少见，常是多种类型的组合体，很难直接推测其可能的失稳状态。从结构屈曲前的变形特点来分析，可以判别一个结构是分叉型失稳还是极值型失稳。分叉型失稳的结构在屈曲发生前，它的构件的变形主要表现为轴向压缩变形，从整个结构宏观反应来看，这种变形非常微小，甚至可以忽略，屈曲前荷载一位移曲线基本上是直线；屈曲后，结构将突然变柔，变形快速发展。极值型失稳的结构，无论杆件还是结构体系，其刚度都是随荷载的施加逐渐变小，屈曲发生前结构会产生明显、不可忽略的变形，屈曲前荷载一位移是呈明显弯曲的非线性曲线。

1.3 进行简单模型及非线性分析

大跨空间结构，由庞大数量杆件组成，即使简化的结构模型，其自由度也成千上万，非线性反应特征明显，在进行结构构件设计之前，有必要用有限元方法对结构进行精确的非线性数值分析。采用有限元分析的结果可靠与否，取决于结构设计人员是否采用了合理的分析模型。只有建立在定性分析结构反应的基础上，才能确定合理的数值分析模型，同时，这些特点又可以作为有限元分析结果是否可靠的一个评判依据。这一点不论对线性分析还是对涉及到非线性的稳定分析都是永远成立的。此外，从非线性分析技术本身来说，要准确把握结构非线性反应的特点，对结构分析的类型、非线性分析的有限元列式及数值求解方法作出合理的选择。所以，大跨结构的非线性分析应从简单模型开始，使结构分析人员对结构的非线性特性有一个初步的了解。在此基础上，采用合理的分析模型和计算方法，逐步细化分析模型，直至计算结果达到满意程度为止。

2 防腐问题

钢结构具有轻质高强、塑性韧性好、材质均匀、工作可靠性高，适用机械化加工，工业生产程度高，施工周期短以及密封性能好等优点。但是，易腐蚀是钢结构的致命缺点之一，钢结构一旦被腐蚀，其强度、 塑性等主要力学性能指标显著下降，严重地降低了钢结构构件和建筑物的安全性和耐久性。

当钢材表面与环境介质发生各种形式的化学作用时，锈蚀就不可避免。

2.1 钢结构锈蚀的种类

钢材由于和外界介质相互作用而产生的损坏过程称为“钢材的锈蚀”。钢结构的锈蚀按其作用可分为以下两类：

化学腐蚀是指钢材直接与大气或工业废气中含有的氧气质液体发生表面化学反应而产生的腐蚀。

电化学腐蚀是由于金属内部有其它金属杂质，他们具有不同的电极电位，在与电解质、水或潮湿气体接触时，产生原电池作用，钢材腐蚀。

实际工程中，绝大部分钢材锈蚀是电化学腐蚀或电化学腐蚀与化学腐蚀共同作用的结果。

大跨结构钢材暴露在空气中未得到必要防护时，与空气中的O2、H2S、SO2作用，钢材表面产生一层电解质水膜，结构表层不同成分或界面之间构成千千万万个腐蚀电池。在阳极区，铁被氧化成Fe+2离子进入水膜。因为水中溶有来自空气中的氧，在阴极区氧被还原为OH-离子，两者结合成不溶于水的Fe(OH)2，并进一步氧化成疏松易剥落的红棕色铁锈Fe(OH)3。在工业大气的条件下，钢材较容易锈蚀。

2.2 钢材在腐蚀条件下的力学性能

常温下正常钢材的基本力学性能较稳定，离散型不大，各力学性能指标均符合新的钢材国家标准，钢材在受腐蚀条件下，其屈服强度、极限强度、伸长率等基本力学性能指标随腐蚀程度加剧而降低。所以，钢材的腐蚀程度与使用环境有密切的关系

3 防火问题

钢材耐热但不耐火的性质、火灾发生因素的增加、规模的扩大，给生产生活带来的生命和财产损失也越来越大。文献通过对我国1960-2005年所发生的建筑火灾坍塌事例的调查，结果显示钢结构建筑在火灾中易发生坍塌事故，尤其是工业厂房屋架的坍塌。大跨度钢结构在发生火灾时存在以下特点：火势发展快，易形成大面积燃烧。钢结构建筑耐火性能差，易倒塌，扑救困难等。

3.1 火灾下钢材的力学性能

当钢材长期经受100℃辐射热时，性能变化不大，具有一定的耐热性能。但当温度超过200℃时，会出现兰脆现象，当温度达到600℃时，钢材进入热塑性状态，将丧失承载能力。在火灾中，钢材很高的热膨胀系数会造成结构在高温下屈曲，而其良好的导热性能使钢构件的温度不断升高，强度和刚度迅速下降，结构的承载能力随之下降，进而导致结构构件局部或整体破坏。

3.2 钢结构的防火保护

3.2.1 钢结构防火涂料

钢结构主要的防火方法是涂敷隔热图层，如STI-A、LG等防火涂料，施涂于钢结构表面，形成耐火隔热保护层，提高钢结构耐火极限。这些涂料导热系数小，附着力强，无毒，质轻，易于施工。先对钢件表面进行喷砂除锈处理，使其表面露出金属光泽并打毛。然后用乙炔氧焰将不断送出的铝（锌）丝融化，并用压缩空气吹附到钢件表面，以形成蜂窝状的铝（锌）喷涂层（厚度约80～100μm）。最后用环氧树脂漆或丁苯橡胶漆等填充毛细孔，以形成复合涂层。

3.2.2 外部混凝土封闭法

采用现浇混凝土作外包层，在钢结构外部采用喷射的方法，且浇筑混凝土时可设置少量小直径钢筋，防止混凝土外保护层开裂影响耐火性。也可采用现浇混凝土板材。用固定件、固定卡按照钢结构构件形状、尺寸拼装、连接，形成保护层。

3.2.3 内部蓄水法

空心钢结构中，钢构件空隙大，具备蓄水功能，可在构件中注满水，在火灾发生时，可降低构件温度，延长钢构件失效的时间，蓄水可以进行循环利用，火灾时，水经过钢构件传热、循环冷却、继续吸热的过程，即降低了构建温度有节约了水资源，是一种有效的降温措施。

3.2.4 防火板材包覆法

采用无机防火板材对大型钢构件进行箱式包裹 ，无机防火板材采用复合黏结剂为胶结材料，以空心玻璃微珠、粉煤灰、石灰粉等为隔热填料压制成型，对钢构件进行外围保护，该种方法安装容易、节省空间、装饰效果好，近年来实际工程中多采用此法。

3.2.5 复合保护法

采用防火涂料或柔性隔热保温材料做基层，以防火隔板作面板。防火效果显著、隔热性能良好、但是应因施工工艺复杂、施工时间长、工程造价高、大跨度结构的载荷等原因，在实际应用中，大跨度钢结构即使采用了该种防火方法，对于大空间、大跨度钢结构构件的耐火等级也很难达到二级。

4 钢材选用

在碳素钢中加入能提高抗腐蚀能力的合金元素，如铬、镍、锡、钛和铜等，制成不同的合金钢，能有效地提高钢材的抗腐蚀能力。

5 结语

随着大跨度钢结构理论研究的深入和工程实践的大量增加，我国在大跨空间钢结构关键问题的研究更加深入，对钢结构的稳定问题、防火防腐问题，提出了更有效的解决方法，同时大跨度钢结构的关键问题不止存在这几个方面，更多的需要我们工程人员、科研人员进行深入研究，充分体现大跨空问结构的先进性、经济性与合理性，促进我国大跨空间钢结构更积极、健康的发展。

[1]杨桢.我国大跨空间钢结构应用发展的主要特点[J].林业科技情报，2006.

[2]张乐民.大跨度钢结构厂房火灾危险性和防火措施[J].21世纪建筑材料，2009.

[3]陈景文.大空间、大跨度钢结构厂房的防火设计分析[J].科技创新导报，2009.