關于大跨度建設下鋼結構設計探究

黃恩杰

【摘要】隨著社會經濟的蓬勃發展，建筑功能也在日新月異的發展和變化，設計師們對于建筑的理解不斷深入，大跨度空間結構不斷涌現，如體育館、會議中心、展覽中心、機場候機大廳以及音樂廳等公共建筑，此類結構在滿足對于開闊的建筑內部空間需求的同時，又會因其優美的外觀和新穎的結構形式，成為一道亮麗的風景。然而，隨著地震災害的頻繁發生，如何進行大跨度空間結構的設計，尤其是分析研究地震作用對于大跨度空間結構的影響是我們最關心的問題。本文以前人的研究成果為基礎，理論結合實際，對大跨度建設下的鋼結構設計進行了探究。

【關鍵詞】大跨度;鋼結構;材料;性能;設計

引言：在建筑設計施工過程中，鋼結構的使用可以降低結構的自身重量，并可以提高自身強度，因此為了達到建筑鋼結構塑性及韌性要求，相關部門在進行鋼結構的設計時，應根據實際情況選擇合適鋼材，進而使鋼結構優勢得到更好的發揮。并且，除了要提高鋼結構自身強度，還需滿足其使用功能要求，如防腐和防火等功能。

1.?目前我國的鋼結構設計存在的問題

雖然鋼結構在國內建筑中已實現廣泛應用，其結構設計的水平進步與提高速度很快，但在大跨度鋼結構設計中，還存在著很多問題。30m以上大跨度鋼結構較少，對于該類大跨度鋼結構的設計時，應該注意對其重點部位的調整。

為保障承重構件的承載力并避免脆性破壞的發生，要根據結構荷載特點、建筑結構的形式、連接方式、應力情況、鋼板厚以及環境等一些因素，來選擇適合的鋼材。承重構件的鋼材應采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼，其質量應分別符合現行國家標準《碳素鋼結構》GB/T?700和《低合金高強度鋼結構》GB/T?1591的規定。結構承重部分應采用具有抗拉性能、屈服強度、伸長率和硫與磷含量符合標準要求材料，對于焊接結構應具備碳含量合格證明。承重焊接部分及重要的焊接非承重部分所用鋼材還要具備冷彎試驗合格保證。而在設計過程中，由于設計人員對鋼材市場可能不很了解，導致施工單位在備料時常會發生買不到施工圖紙中所選用的材料;除此之外，鋼結構構件大部分是在加工廠完成制作，構件運到現場后拼裝，由于節點設計不合理導致構件無法安裝，這種情況在施工中會經常碰到。節點設計時，不僅要考慮節點受力合理，也要考慮節點是否便于安裝，當安裝困難或無法安裝時，應考慮變更節點設計。

2.?大跨度鋼結構應注意的一些問題

對于大跨度鋼結構的使用，首先要避免一些過度大跨度。一些設計者認為越大的跨度則越好，而其實跨度過大不實用，經濟性查，會消耗大量的資源，人們也并不愿意在一個牢籠里生活;此外，隨著科學技術的發展，一些新型輕質的材料不斷出現，其不僅可減輕鋼結構自身的重量，還更加地經濟、安全;再者，結構應進行簡潔的布局，使力的傳遞路線更短，從而提高鋼結構使用效率，且不會受過多限制，使整個結構更加簡潔;最后，要盡可能避免受彎桿件的使用，應多使用拉壓桿件。

3.?基于性能的大跨度建設鋼結構設計

3.1?性能設計

從結構設計方法的演變和發展過程看，在20?世紀90?年代，以為來自美國的學者提出了性能化結構設計優化理論，其代表著結構設計未來的發展趨勢。基于性能的結構設計為一種應用工程上的方法而達到規定結構性能要求的設計手法。在性能化結構設計優化理論中，運用高效結構高等計算分析方法，對結構在各類條件下，特別是荷載變化作用下結構發生響應進行預測，進而對結構的性能做出評估，最后達到規范規定性能指標及業主對于結構的要求。

3.2?材料與結構幾何雙非線性分析

由于新技術與高強度材料的應用，使得鋼結構的重量逐漸減輕，跨度逐漸加大。在達到結構屈服荷載前變形較大，表現為一定程度的非線性性質。基于平面及線性假定的傳統分析方式已經不再適用，而目前對于承載力的分析應考慮到幾何非線性問題。在多數情況下，當結構逐漸接近所能承受的荷載時，結構將屈服，鋼材料性質也逐漸地由線彈性轉化為塑性，表現出非線性的性質。所以設計時應考慮到材料和幾何非線性間的耦合--雙重非線性，應用有限元分析方法進行結構大位移的彈塑性過程計算分析，從而找出結構在承載力到達極限時的工作情況。

4.?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。

5.?精準的計算模型，可靠的結構設計

鋼結構所使用的材料是非常均勻的，是一種較為理想化的統一的彈性體，與當下所使用的計算方式及理念完全相吻合。除此之外，鋼結構構件連接模型跟現實狀況較為一致，在進行模型計算的時候所使用到的公式比較少，計算起來較為簡單。為此，鋼結構計算模型在現實的工作當中對結構設計有著精準性、可靠性的顯著優勢。

6.?大跨度鋼節點設計

6.1?鋼節點變形性能設計

在大跨度條件下鋼結構設計過程中，鋼節點的種類有很多，下文主要討論了相貫節點問題，其設計的方法主要有：（1）在設計鋼節點變形破壞值和屈服值時，二者比例系數要大于1.2;（2）全過程分析荷載和位移、應變之間的關系，得出節點變形破壞和屈服應變等一些相關延性參數;（3）在破壞載荷作用下，鋼節點的彈塑性變形值要小于D/4，在設計的承載能力作用下節點變形值要小于D/100。

6.2?鋼節點承載能力設計

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：

鋼結構建筑的使用具有很多優勢，但在對結構進行設計時，產生了很多的問題。對于鋼結構設計中所出現的問題是不能忽視的，需對其特別注意。只有在設計時，把握好要領，應用科學的方法和理念進行結構設計，才可以設計出經濟、安全、可靠的建筑作品。

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