基于性能的大跨度鋼結構設計路徑探究

宋力

摘要：當前建筑工程施工技術發展水平日益提高，大跨度工程設計建設中鋼結構也得到了較為廣泛的應用。大跨度鋼結構設計是一個相對較為復雜的過程，因此為了保證設計的質量，應在設計中嚴格按照相關的規范和要求來處理，進而有效提高設計的合理性。

關鍵詞：大跨度；鋼結構；設計；規范

大跨度鋼結構與其他結構的設計存在著很多的相似之處，需要在設計的過程中采取有效的方式，解決結構變形設計及荷載設計過程中容易出現的多種問題。而且大跨度結構在設計的過程中也會受到很多因素的影響，故此設計人員在工程建設和實踐過程中，應充分地考慮行業規范要求，進而完成結構的分析和計算工作。

一、大跨度鋼結構的特點

（一）構件數量和截面類型眾多

大規模的建筑通常由上萬個構件組成，同時構件的類型尺寸和截面各不相同，因此這也為施工單位的放樣環節帶來了非常大的困難，一些彎曲構件必須要經過嚴格的檢驗才能應用于工程當中。

（二）構件加工精度要求嚴格

大跨度工程通常為重點建設工程，所以對建筑質量有著十分嚴格的要求。施工人員應加大構件加工精度控制力度，規定構件焊接的過程中均應達到一級水平，這就加大了設計和建設的難度。

（三）現場焊接工作較為繁重

施工前通常需要對其進行預拼裝處理，同時需要完成大量的焊接工作。大跨度鋼結構不同于普通的建筑結構，所以必須要使用全新的設計理念和施工技術，只有這樣，才能保證工程設計和建設的質量。

二、大跨度鋼設計概述

（一）性能設計

在結構設計和發展的過程中，以性能為基礎的結構設計理念是一種非常主流的發展趨勢。性能的設計主要是采用多種方式達到結構性能目標的設計方法。其主要借助對結構的科學分析及計算，對鋼結構在不同條件下的性能參數予以科學預測和分析，從而判斷結構設計能否滿足大跨度鋼結構性能標準的要求。

（二）結構幾何與材料雙非線性計算分析

當前，在大跨度鋼結構設計和施工的過程中，出現了很多的新材料和新工藝，鋼結構建筑的自重更小，且跨度也明顯提高。在達到屈服荷載前，建筑的變形也更為明顯，且其幾何非線性特征也更為顯著。若結構即將達到結構荷載的極限值時，材料的性質也會從線彈性逐漸轉變為塑性。利用有限元方式完成大位移彈塑性分析，這樣便能夠充分地了解并掌握受到極限荷載作用后結構自身的工作狀態。現階段，眾多的有限元計算軟件均應用在了結構設計當中，這也提高了結構幾何和材料雙非線性計算分析的質量和效率。

（三）延性性能前提下的設計思路

在性能基礎上的設計，必須要充分考慮到鋼結構自身的性能，結合結構分析計算的最終結果，以及不同荷載作用下的結構響應，對大跨度鋼結構的性能進行科學評估。此外還要以此為根據確定工程設計的方案。并在設計工作中將鋼結構材料的延性作為一個重要的考量指標。

三、基于性能的大跨度鋼結構具體設計分析

（一）變形能力的設計

在大跨度鋼結構設計的過程中，需確保鋼結構體系既可滿足變形能力的基本需要，又能滿足結構承載力和穩定性的基本要求。在鋼結構體系中的所有構件均能夠達到強度的基本要求后，再對材料的結構彈性變形予以有效控制，從而加強設計的質量及效果。另外在設計中通常采用施加預應力與結構預拱的方式。在預應力處理方法當中，其能夠有效改善結構的剛度與承載力，控制結構的彈塑性變形，同時還可增強鋼結構體系的彈塑性變形能力，將適度的預應力施加在結構當中，以此便能夠減少結構變形和損壞對結構性能的影響。

（二）荷載類型設計

荷載主要分為三種形式，一種是永久荷載，一種是可變荷載，最后一種是偶然荷載。在大跨度鋼結構當中，永久荷載通常是由屋面覆蓋材料的自重與無蓋結構的自重構成。屋面覆蓋材料相對較多，其主要有屋面板、屋面保溫結構和防水層。屋蓋結構重量計算通常采用計算公式或計算機完成，若屋蓋當中包含檁條結構，則應將擦條的重量也算入到結構的重量當中。如果結構中有吊頂結構或設備管道，則要加入到計算的范圍。此外，在工程施工中大跨度鋼結構會受到工程實際情況的影響，因此其可變荷載也會存在較大的差異，主要分為以下幾種：

第一種是屋面活荷載。這種荷載的計算需要充分結合屋面水平投影面積的大小。大跨度鋼結構屋面上的活荷載標準通常為0.5kN/m2，而如果在工程建設或維修時出現較大的荷載，則應充分結合具體情況，來采取更具針對性的處理方式。

第二種是雪荷載。雪荷載的大小與鋼結構屋面的形狀、朝向等都存在著十分密切的關系。一般而言，屋面雪荷載不會超過最大雪壓。雪可能會從較陡的曲面屋頂上滑落到地面，風也會刮走松散性較強的雪，在溫度升高后，屋面的雪也有可能會發生融化現象。而對于雙坡屋面的背風坡或者曲面屋頂出現積雪，則應對雪荷載進行重新計算。

第三種是風荷載。若大跨度鋼結構建筑對空氣的流動起到了較為明顯的阻礙作用，建筑物的表面就會出現不同程度的法相壓力和吸力，上述受力也就是建筑物所要承受的風荷載。風荷載主要作用于建筑物的表面，其主要有兩個作用，一個是動力作用，一個是靜力作用。

靜力作用主要為平均風和穩定風。動力作用通常為建筑物所受到的脈動風。在計算平均風的過程中，可采用靜力學的方法，而在計算脈動風對結構產生的作用力時，一般選用動力學當中的隨機振動理論。

偶然荷載也是一個十分重要的荷載類型。在大跨度鋼結構設計當中，應充分考慮到地震等多種偶然荷載對建筑物受力所產生的影響。如果地面發生振動，則建筑物會受到不同程度的慣性力。鋼結構的特性會影響到偶然荷載的數值。研究人員在對地震作用進行科學分析時，發現建筑物的自重越大，地震作用就越明顯。在研究和分析過程中，采用了振型分解反應譜法完成了對大跨度鋼結構地震作用的測算。此外對一些較為規則的網架結構可以采用簡化算法。且在計算重要鋼結構或復雜鋼結構的過程中，一般采用時程分析的方式。

四、結語

綜上所述，在結構設計時應采用全新的設計理念，并積極拓寬設計的思路，不斷改進和完善設計的整體方案，進而達到大跨度鋼結構設計的基本要求，最終提高大跨度鋼結構工程的質量。

參考文獻：

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