基于性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設計與分析

黃福安

【摘要】本文對大跨度鋼結(jié)構(gòu)設計思想和設計要點進行了詳細的介紹，并結(jié)合了多年大跨度的鋼結(jié)構(gòu)設計經(jīng)驗，對大跨度鋼結(jié)構(gòu)設計存在的問題進行了分析。

【關鍵詞】大跨度鋼結(jié)構(gòu)；性能設計；設計要點；設計分析

前言：隨著社會的發(fā)展與進步，鋼結(jié)構(gòu)在大跨度建筑設計中應用越來越廣泛。在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設計中，延性性能的控制對其有重要影響。在大跨度鋼結(jié)構(gòu)設計中，設計人員應該根據(jù)相關的設計規(guī)范、設計要點選用正確的設計方法進行鋼結(jié)構(gòu)建筑的設計。

一、大跨度鋼結(jié)構(gòu)設計的思想

1、基于性能的鋼結(jié)構(gòu)設計

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的各種設計方法中，目前主要的設計方向是基于性能的鋼結(jié)構(gòu)設計，所謂基于性能的鋼結(jié)構(gòu)設計就是采用相關的工程設計方法，完成既定的結(jié)構(gòu)性能目標的設計方法，在基于性能的鋼結(jié)構(gòu)的設計中，通過一定的結(jié)構(gòu)分析計算，對不同載荷下的結(jié)構(gòu)響應進行有效的預測，以此來對大跨度鋼結(jié)構(gòu)的性能進行評估，判斷其結(jié)構(gòu)性能是否滿足相關的性能指標。

2、基于延伸性能的設計

延伸性能指的是鋼結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件的某個截面從開始屈服的階段到極限載荷的階段中，載荷沒有明顯下降的變形能力，對于延性性能較好的構(gòu)件來說，在后期具有較大的變形能力，在構(gòu)件達到承載力的極限之后還具有一定的能量吸收能力，在對其造成破壞之前會表現(xiàn)出一定的延性破壞，在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設計過程中必須要對鋼結(jié)構(gòu)的延性性能進行控制。

二、大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設計要點

大跨度主要按照變形能力的設計和荷載類型進行設計，其荷載主要分為永久荷載、可變荷載、偶然荷載。對于永久荷載，應采用標準值作為代表值。對于可變荷載，應根據(jù)設計要求采用標準值、組合值、頻遇值或準永久值作為代表值。對于偶然荷載，應按照建筑結(jié)構(gòu)使用的特點確定其代表值。

1、變形能力的設計

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設計中，如果鋼結(jié)構(gòu)的剛度偏小，只能夠滿足最低的穩(wěn)定承載力的指標，當結(jié)構(gòu)體系中彈塑性的極限變形值過大時，結(jié)構(gòu)體系的大變形會使結(jié)構(gòu)倒塌。因此，在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設計中，鋼結(jié)構(gòu)體系必須同時滿足變形能力及穩(wěn)定承載力兩方面的要求。

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設計中，鋼結(jié)構(gòu)體系中的構(gòu)件能夠達到相應的強度要求之后，想要達到相應的結(jié)構(gòu)彈性的小變形指標，可以采用施加預應力、結(jié)構(gòu)預起拱等措施。

采用施加預應力的方法能夠有效的提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)的剛度；另一方方面，運用這種方法還能有效的降低其結(jié)構(gòu)體系的彈塑性變形值，運用施加預應力的方法是一種可靠的將大跨度鋼結(jié)構(gòu)中的彈塑性變形能力及彈性同時提高的措施，在對大跨度鋼結(jié)構(gòu)施加預應力時，會有效的降低鋼結(jié)構(gòu)體系的破壞變形值，但是如果所采用的預應力過大，很容易造成鋼結(jié)構(gòu)的脆性破壞，因此在施加預應力的時候，應使鋼結(jié)構(gòu)體系處在彈性階段，并采取適當措施增加預應力構(gòu)件所擁有的安全系數(shù)。

2、荷載類型進行設計

①、永久荷載

對大跨度結(jié)構(gòu)，永久荷載主要包括屋蓋結(jié)構(gòu)自重和屋面覆蓋材料自重。屋蓋結(jié)構(gòu)的自重計算可采用經(jīng)驗公式或由計算機自動完成，在有擦體系中，還應計入擦條的自重。屋面覆蓋材料自重主要是指屋面板、屋面保溫層、找坡層及防水層等的自重。若有吊頂?shù)妊b修構(gòu)造或設備管道，按實際情況采用。

②、可變荷載

作用在大跨度鋼結(jié)構(gòu)上的可變荷載有以下幾種。

（1）屋面活荷載。屋面均布活荷載一般按屋面的水平投影面計算。對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)，不上人屋面，屋面均布活荷載標準值采用0.5kN/m2，但當施工或維修荷載較大時，應按實際情況采用，或在施工中采取特殊措施；上人屋面，屋面均布活荷載標準值采用2.0kN/m2。

（2）雪荷載。屋面雪荷載的大小主要與屋面的幾何形狀、朝向和風向等有關。大多數(shù)情況下，屋面雪荷載小于荃本雪壓。 這是因為雪可從坡度較大的曲面屋頂滑落，風可將松散的雪從平屋頂刮下，有時雪還可能被屋頂外皮的散熱所融化。然而，有時也會產(chǎn)生積雪，如雙坡屋面的背風一側(cè)、雙跨或多跨曲面屋頂?shù)慕唤犹幍?。此時必須考慮采用較大的雪荷載。

（3）風荷載當空氣的流動受到建筑物的阻礙，就會在建筑物表面的法向形成壓力或吸力，這些壓力或吸力稱為建筑物所受的風荷載。風荷載具有靜力和動力作用的雙重特點，其靜力部分稱為平均風或穩(wěn)定風，動力部分稱為脈動風。平均風對結(jié)構(gòu)的作用可用靜力學的方法求得；脈動風對結(jié)構(gòu)的作用應采用動力學的隨機振動理論求得。

（4）溫度作用。大跨度鋼結(jié)構(gòu)在因溫度變化而出現(xiàn)溫差時，由于桿件不能自由變形，會在桿件中產(chǎn)生應力，即溫度應力。溫差的大小與結(jié)構(gòu)合攏時的溫度與當?shù)啬曜罡呋蜃畹蜌鉁叵嚓P，在設計中應考慮。關于溫度應力的計算原則按空問結(jié)構(gòu)的相關規(guī)程執(zhí)行。

（5）支座位移。大跨度鋼結(jié)構(gòu)由于位移的不均勻沉降而引起結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)附加應力。

③、偶然荷載

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)分析中，偶然荷載主要是指地震作用。地震作用是建筑物因地面運動而產(chǎn)生的一種慣性作用，屬于動力作用。它的大小既與結(jié)構(gòu)的固有振動特性有關，又與地面運動的特性有關。地震作用與建筑物的重量直接相關，重量越大，地震作用也越大。大跨度鋼結(jié)構(gòu)的地震作用一般可采用振型分解反應譜法計算；對于某些規(guī)則的網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)還可采用簡化計算方法；對特別重要或體型特別復雜的空間結(jié)構(gòu)，應采用時程分析法進行補充計算。

三、結(jié)構(gòu)設計存在的問題及分析

1、存在的問題

由于大跨度鋼結(jié)構(gòu)有其他各種材料結(jié)構(gòu)不可代替的優(yōu)越性，使得它越來越被廣大的遇著所接受，相應的跨度也越來越大，超過30米跨度的結(jié)構(gòu)已經(jīng)屢見不鮮。但是因為鋼材的多用性和實用性，鋼材的價格波動較大，二鋼柱的用量往往大于鋼梁的用量，又因為防火涂料的昂貴性，從而使得不少的技術人員提出并采用了傳統(tǒng)的的鋼筋混凝土柱和H鋼屋梁來代替原先設計中的鋼材。實際上，這些設計的內(nèi)容已經(jīng)給相關的設計人員帶來了一種新的設計理念和設計結(jié)構(gòu)體系。但是由于我國目前并沒有針對此種結(jié)構(gòu)設定專門的參數(shù)，使得此種結(jié)構(gòu)方式在實際中容易出現(xiàn)細節(jié)的含糊，給的安全帶來不必要的隱患。所以對于此種結(jié)構(gòu)，應該先對其在實際中需求的參數(shù)極限值進行詳細的分析和探究，清楚的認識其內(nèi)部的受力特點，這樣才能使得整個結(jié)構(gòu)更加的合理和安全。

2、結(jié)構(gòu)計算應考慮的問題

對于上述問題中用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱和H鋼屋梁來代替原先設計中的材料的結(jié)構(gòu)體系，如果沒有設置拉桿，就會使得計算過程變得極為繁瑣，但如果無視其跨度的大小，僅僅采用通常平面系的計算機軟件計算，則會給結(jié)構(gòu)留下一定的安全隱患。就目前而言，平面桿系計算機軟件是在兩個基本的假設基礎上進行各種受力分析的，第一是平截面假設，即每一個構(gòu)件受力過程中桿件的截面不變；第二是桿件相互之間的夾角不變，即在實際的受力中，鋼梁和鋼柱之間的夾角相互保持不變。這種假設主要是為了門式鋼架而設定的，基本符合受力簡圖，但是這種假設對于當下的結(jié)構(gòu)不適用，也不符合其受力簡圖。其具體在于先下的人字型的鋼梁的推理過大，因為拱腳沒有相應的拉桿或者柱沒有充足的抗推力，構(gòu)件就會產(chǎn)生很大的水平位移，造成鋼梁夾角的改變，這與前面的兩個假設中的夾角不變假設相互沖突，不便于計算；其次，因為拱腳水平位移加大，鋼筋混凝土有了其附加的彎矩，即存在二階效應問題，但是相應的軟件計算中由沒有考慮二階效應。又由于懸索效應的影響，位于屋面上的鋼梁內(nèi)力將會急劇的增加，其剪力也會急劇的增加，造成更加不利的情況，這些都是目前的計算機軟件不能解決的問題，所以電算的結(jié)果勢必會有很大的誤差，直接利用電算結(jié)果進行設計顯然是不合理的，會有其必然的安全隱患。

四、結(jié)語

隨著工程設計技術的發(fā)展，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設計方法、設計工具、計算手段等不斷進步，大跨度鋼結(jié)構(gòu)設計理念也會隨著人們的需求不斷向前發(fā)展。作為一個大跨度鋼結(jié)構(gòu)的從業(yè)者，更應該對鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展和其核心的內(nèi)容進行深入的了解，積極的借鑒國內(nèi)外其他區(qū)域的大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)的設計理念和設計經(jīng)驗，充實自身的設計思路和對整個設計系統(tǒng)的規(guī)劃，從而使得大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)設計在未來有其新穎性和創(chuàng)新性。