大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

（四川省建筑設(shè)計研究院，四川 成都 610017）

大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

李 林 紀(jì) 鵬 王 堯

（四川省建筑設(shè)計研究院，四川 成都 610017）

在大跨度建設(shè)下鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，主要的兩個安全控制指標(biāo)是變形能力及承載力，本文通過對大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中各方面因素的分析，探討大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系中的變形能力指標(biāo)、彈塑性承載力、節(jié)點彈性等指標(biāo)，并提出了基于性能的大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。

大跨度建設(shè)；鋼結(jié)構(gòu)；性能設(shè)計

在大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，主要的設(shè)計內(nèi)容有連接節(jié)點的設(shè)計、構(gòu)件設(shè)計、結(jié)構(gòu)體系設(shè)計等，在大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，幾何與材料的非線性影響突出，對其節(jié)點、構(gòu)件、體系的安全控制有重要影響的是延性性能，在大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)相關(guān)的設(shè)計規(guī)范選用正確的設(shè)計方法、參照一定的計算分析理論結(jié)合現(xiàn)代實用的計算機軟件對各種建設(shè)中安全控制指標(biāo)予以確定，本文就將對大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行分析。

一、基于性能的大跨度建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

1性能的設(shè)計

在大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計方法中，目前主要的設(shè)計方向是基于性能的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，所謂基于性能的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計就是采用相關(guān)的工程設(shè)計方法，完成既定的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的設(shè)計方法，在基于性能的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)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(yīng)進(jìn)行有效的預(yù)測，以此來對大跨度建設(shè)下鋼結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行評估，判斷其結(jié)構(gòu)性能是否滿足相關(guān)的性能指標(biāo)。

2基于延伸性能的設(shè)計思路

延性性能指的是鋼結(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(dá)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，在大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中必須要對鋼結(jié)構(gòu)的延性性能進(jìn)行控制，主要的設(shè)計思路表現(xiàn)為：（1）在對鋼結(jié)構(gòu)的延性性能進(jìn)行設(shè)計時，其中關(guān)鍵性的性能參數(shù)有：破壞變形、屈服變形、破壞荷載、屈服荷載等；破壞荷載指的是結(jié)構(gòu)響應(yīng)的過程中，構(gòu)件的加載曲線中最大的荷載；屈服荷載指的是結(jié)構(gòu)響應(yīng)的全過程中，構(gòu)件加載曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時的荷載，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，破壞荷載就是最大荷載，而其中的破壞變形指的是破壞荷載所對應(yīng)的構(gòu)件的形變，屈服變形指的是屈服荷載所對應(yīng)的構(gòu)件的形變；（2）在鋼結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計中，設(shè)計的重點是要得到相關(guān)的延性性能的參數(shù)，以此來確定出合理的屈服變形值、屈服荷載值，保證在鋼結(jié)構(gòu)的運行過程中是在安全的設(shè)計荷載下使用，同時要對承載力系數(shù)進(jìn)行合理的確定，保證鋼結(jié)構(gòu)在運行的過程中有一定的承載力儲備；（3）在鋼結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計中還有一個重要的設(shè)計指標(biāo)就是變形比例系數(shù)，其能保證鋼結(jié)構(gòu)在運行的過程中有足夠的變形能力儲備。

通過分析可以看出，大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，主要的設(shè)計思路就是對體系中的非線性材料、幾何非線性等進(jìn)行計算分析，得到荷載與應(yīng)力、應(yīng)變及位移表示的全過程相關(guān)曲線，從中得到鋼結(jié)構(gòu)的破壞變形、屈服變形、破壞荷載、屈服荷載等各種性能參數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)的安全設(shè)計性能控制指標(biāo)的分析。

3材料及幾何非線性的計算

在大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計發(fā)展過程中，不斷的采用新技術(shù)及新型的高強度材料，這使得在建設(shè)的過程中能夠達(dá)到越來越大的跨度，且建筑物的重量也在逐漸的減輕，在鋼結(jié)構(gòu)到達(dá)響應(yīng)的屈服荷載之前，能夠具有較大的變形，表現(xiàn)出一定的幾何非線性性質(zhì)，因此在進(jìn)行大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)的承載力分析時，必須要考慮到其材料及幾何非線性性質(zhì)，為了確定鋼結(jié)構(gòu)在極限載荷的作用下的相關(guān)工作狀態(tài)，通常會在分析中借助于有限元方法對鋼結(jié)構(gòu)的大位移彈塑性全過程進(jìn)行分析，在其全過程中的計算與分析過程中，常用的通用有限元計算軟件有ANSYS、SAP2000等。

二、鋼材的延伸率與強屈比的計算

在大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中可以看出鋼材的延性能力主要包括兩方面的性能，即延伸率和強屈比。鋼材是一種彈塑性性質(zhì)的材料，在理想的狀態(tài)下，鋼材的塑性應(yīng)變足以滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計所要求的變形能力，但是在實際的應(yīng)用中，鋼結(jié)構(gòu)的破壞不可能是純塑性的破壞，通過一系列的實踐表明，對于用于鋼結(jié)構(gòu)的塑性設(shè)計的鋼材來說，必須具有一定的材料強度的強化性能，即要在設(shè)計要求中對鋼材的最低強屈比作出一定的要求，在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，鋼材的變形能力應(yīng)該大于百分之二十，強屈比應(yīng)該大于1.20。

三、大跨度建設(shè)下鋼結(jié)構(gòu)體系的性能設(shè)計

1變形能力的設(shè)計

在大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)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(biāo)，當(dāng)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(shè)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(shè)計中，鋼結(jié)構(gòu)體系中的構(gòu)件能夠達(dá)到相應(yīng)的強度要求之后，想要達(dá)到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)彈性的小變形指標(biāo)，可以采用施加預(yù)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)預(yù)起拱等措施。

采用施加預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力過大，很容易造成鋼結(jié)構(gòu)的脆性破壞，因此在施加預(yù)應(yīng)力的時候，應(yīng)使鋼結(jié)構(gòu)體系處在彈性階段，并采取適當(dāng)措施增加預(yù)應(yīng)力構(gòu)件所擁有的安全系數(shù)。

采用預(yù)起拱的措施，對鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定承載力的升高有一定的作用，對于體系的彈塑性變形的降低幅度很小，但是對于體系的大范圍的彈塑性的變形不起作用；在工程的設(shè)計中，遇到要進(jìn)行小范圍的彈塑性的調(diào)節(jié)時，可以采用，但不適用于大范圍的彈塑性的變化。

2穩(wěn)定承載力設(shè)計

在鋼結(jié)構(gòu)體系的研究中，通常會采用幾何非線性的方法來進(jìn)行分析，而在實際的工程應(yīng)用中，僅僅采用這種方法進(jìn)行分析是不科學(xué)的，無法保證工程設(shè)計的安全性，利用雙非線性分析模型更接近工程實際。因此，在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，應(yīng)該對結(jié)構(gòu)體系的雙非線性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上再開展結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定承載力的設(shè)計，大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)體系的主要設(shè)計指標(biāo)有：（1）對鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定承載力進(jìn)行分析時，首先進(jìn)行基于雙非線性的荷載與位移關(guān)系的全過程的分析，從中得到破壞荷載系數(shù)、屈服荷載系數(shù)等性能參數(shù)，其中的破壞荷載系數(shù)指的是鋼結(jié)構(gòu)體系中的破壞荷載與相關(guān)的設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)值之間的比值，結(jié)構(gòu)體系的屈服荷載系數(shù)指的是鋼結(jié)構(gòu)體系中的屈服荷載與相關(guān)的設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)值之間的比值；（2）將大變形值所對應(yīng)的荷載系數(shù)、破壞荷載系數(shù)、屈服荷載系數(shù)進(jìn)行對比，將三種系數(shù)之間的最小值作為鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定承載力的系數(shù)；（3）采用雙非線性分析所確定的穩(wěn)定承載力應(yīng)大于等于設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)值的2.4倍，而采用幾何非線性分析確定出的鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定承載力應(yīng)大于等于相關(guān)設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)值的4.5倍。

四、大跨度建設(shè)下鋼節(jié)點的性能設(shè)計

1鋼節(jié)點的變形能力設(shè)計

大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，鋼節(jié)點的類型多種多樣，本次主要是針對相貫節(jié)點進(jìn)行研究，其主要的設(shè)計方法有：（1）對荷載與應(yīng)變、位移的關(guān)系進(jìn)行全過程的分析，得到節(jié)點破壞變形、屈服變形及屈服應(yīng)變等相關(guān)的延性性能參數(shù)；（2）在節(jié)點破壞變形值與屈服變形值的設(shè)計中，二者的比例系數(shù)應(yīng)大于1.2；（3）節(jié)點在破壞載荷的作用下，其彈塑性的變形值應(yīng)小于D/4，節(jié)點在相應(yīng)的設(shè)計承載力的作用下的變形值應(yīng)小于D/100。

2鋼節(jié)點的承載力設(shè)計

雙非線性分析法確定節(jié)點的承載力的主要的設(shè)計方法有：（1）對荷載與應(yīng)變的關(guān)系進(jìn)行全過程分析，得到節(jié)點的屈服應(yīng)變、位移所對應(yīng)的荷載值，取二者中數(shù)值較小的作為相關(guān)節(jié)點的設(shè)計承載力；（2）如果在對節(jié)點的全過程曲線進(jìn)行分析之后沒有找到明顯的屈服點，可以選取節(jié)點的破壞荷載的1/1.2～1/1.4之間的值作為節(jié)點的設(shè)計承載力；（3）當(dāng)節(jié)點的破壞位移大于D/100時，要確定節(jié)點的設(shè)計承載力的值，可以選取D/100所對應(yīng)的加載值，作為節(jié)點的設(shè)計承載力。

結(jié)語

隨著現(xiàn)代化的工程設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法、計算手段、計算理論等不斷進(jìn)步，在其各種設(shè)計方法中逐漸應(yīng)用了基于性能的設(shè)計方法，通過對鋼結(jié)構(gòu)體系的材料非線性、幾何非線性、延伸性能等進(jìn)行全面的分析，得到相關(guān)的性能控制指標(biāo)，可以完成鋼結(jié)構(gòu)體系的全面設(shè)計，但是為了確保鋼結(jié)構(gòu)體系的安全，優(yōu)化性能設(shè)計的思想，還需要廣大的設(shè)計人員及工程技術(shù)人員的共同努力。

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