大跨度建設下的鋼結構設計研究

（四川省建筑設計研究院，四川 成都 610017）

大跨度建設下的鋼結構設計研究

李 林 紀 鵬 王 堯

（四川省建筑設計研究院，四川 成都 610017）

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

大跨度建設；鋼結構；性能設計

在大跨度建設下的鋼結構的設計中，主要的設計內容有連接節點的設計、構件設計、結構體系設計等，在大跨度建設下的鋼結構的設計中，幾何與材料的非線性影響突出，對其節點、構件、體系的安全控制有重要影響的是延性性能，在大跨度建設下的鋼結構設計中，設計人員應該根據相關的設計規范選用正確的設計方法、參照一定的計算分析理論結合現代實用的計算機軟件對各種建設中安全控制指標予以確定，本文就將對大跨度建設下的鋼結構的設計進行分析。

一、基于性能的大跨度建設鋼結構設計

1性能的設計

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

2基于延伸性能的設計思路

延性性能指的是鋼結構中的構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件來說，在后期具有較大的變形能力，在構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出一定的延性破壞，在大跨度建設下的鋼結構的設計過程中必須要對鋼結構的延性性能進行控制，主要的設計思路表現為：（1）在對鋼結構的延性性能進行設計時，其中關鍵性的性能參數有：破壞變形、屈服變形、破壞荷載、屈服荷載等；破壞荷載指的是結構響應的過程中，構件的加載曲線中最大的荷載；屈服荷載指的是結構響應的全過程中，構件加載曲線出現轉折時的荷載，在結構的設計過程中，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的構件的形變，屈服變形指的是屈服荷載所對應的構件的形變；（2）在鋼結構的延性設計中，設計的重點是要得到相關的延性性能的參數，以此來確定出合理的屈服變形值、屈服荷載值，保證在鋼結構的運行過程中是在安全的設計荷載下使用，同時要對承載力系數進行合理的確定，保證鋼結構在運行的過程中有一定的承載力儲備；（3）在鋼結構的延性設計中還有一個重要的設計指標就是變形比例系數，其能保證鋼結構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，大跨度建設下的鋼結構的設計中，主要的設計思路就是對體系中的非線性材料、幾何非線性等進行計算分析，得到荷載與應力、應變及位移表示的全過程相關曲線，從中得到鋼結構的破壞變形、屈服變形、破壞荷載、屈服荷載等各種性能參數，并進行相關的安全設計性能控制指標的分析。

3材料及幾何非線性的計算

在大跨度建設下的鋼結構的設計發展過程中，不斷的采用新技術及新型的高強度材料，這使得在建設的過程中能夠達到越來越大的跨度，且建筑物的重量也在逐漸的減輕，在鋼結構到達響應的屈服荷載之前，能夠具有較大的變形，表現出一定的幾何非線性性質，因此在進行大跨度建設下的鋼結構的承載力分析時，必須要考慮到其材料及幾何非線性性質，為了確定鋼結構在極限載荷的作用下的相關工作狀態，通常會在分析中借助于有限元方法對鋼結構的大位移彈塑性全過程進行分析，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

在大跨度建設下的鋼結構的各種設計標準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的材料，在理想的狀態下，鋼材的塑性應變足以滿足鋼結構設計所要求的變形能力，但是在實際的應用中，鋼結構的破壞不可能是純塑性的破壞，通過一系列的實踐表明，對于用于鋼結構的塑性設計的鋼材來說，必須具有一定的材料強度的強化性能，即要在設計要求中對鋼材的最低強屈比作出一定的要求，在鋼結構的設計中，鋼材的變形能力應該大于百分之二十，強屈比應該大于1.20。

三、大跨度建設下鋼結構體系的性能設計

1變形能力的設計

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

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

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

采用預起拱的措施，對鋼結構體系的穩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；在工程的設計中，遇到要進行小范圍的彈塑性的調節時，可以采用，但不適用于大范圍的彈塑性的變化。

2穩定承載力設計

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

四、大跨度建設下鋼節點的性能設計

1鋼節點的變形能力設計

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

2鋼節點的承載力設計

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

結語

隨著現代化的工程設計技術的發展，大跨度建設下的鋼結構的設計方法、計算手段、計算理論等不斷進步，在其各種設計方法中逐漸應用了基于性能的設計方法，通過對鋼結構體系的材料非線性、幾何非線性、延伸性能等進行全面的分析，得到相關的性能控制指標，可以完成鋼結構體系的全面設計，但是為了確保鋼結構體系的安全，優化性能設計的思想，還需要廣大的設計人員及工程技術人員的共同努力。

[1]葛家琪，張愛林，楊維國，張國軍，王樹，張玲.基于性能的大跨度鋼結構設計研究[J].建筑結構學報，2011（10）.

[2]葛家琪，王樹，梁海彤，張愛林，張國軍，管志忠，楊霄.2008奧運會羽毛球館新型弦支穹頂預應力大跨度鋼結構設計研究[J].建筑結構學報，2010（12）.

[3]王康，張亞杰.大跨度空間鋼結構桁架結構設計研究[J].新鄉學院學報（自然科學版），2009（12）.

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