基于性能的大跨度鋼結構設計探索

黎燦坤

（廣東省建科建筑設計院有限公司，廣東廣州 510000）

0 前言

近幾年，以制造業為代表的第二產業產值在國民收入中比重持續攀升，奠定了鋼結構產業持續進步的基礎，我國內部鋼結構產值呈現出明顯的加速態勢。隨著鋼鐵工業的跨越式發展，大跨度鋼結構占鋼結構總比例日益提升，以性能為根據的跨度超60m的鋼結構規劃表達受到越來越大的關注。基于此，為了保證大跨度鋼結構產值的持續升級，探索以性能為根據的大跨度鋼結構設計就具有非常重要的意義。

1 我國鋼結構發展現狀

從2016 年開始，《鋼鐵工業調整升級規劃（2016—2020 年）》等出臺，為國內鋼結構產值的提升提供支持。僅在2018 年，我國鋼結構產量就達到6800 萬t 以上，產值在6800 億元以上，同比2016 年增長30%以上。從2019 年開始，政府部門就提出鋼結構試點住宅建設疊加多省試點，有望探索出一套可以推廣、復制的鋼結構住宅建設模式。但是，相比西方發達國家，國內鋼結構滲透率仍然較低，主要集中于民用建筑、超高層商業樓宇、工業建筑等公共建筑領域，未來仍然具有較大的提升空間[1]。

2 設計思路

跨度超60m 的鋼結構具有自體重量處于較低水平、損耗材料量少、加工制作簡單、應力計算可靠、抗震性能強、材質均勻等優良特點。為了充分發揮上述優勢，首先，采用基于結構性能的設計方法，選擇結構與材料非線性計算方式，深入結構整體穩定承載性能進行深層次研究。并利用結構超大位置移動彈性——塑性全過程優先原則整體劃分研究的方式，確定究極載荷條件下大跨度鋼結構的運作狀態。

其次，進行預起拱、預應力施加下的大跨度鋼結構穩定承載力性能化分析。并考慮剛度處于較小水平的跨度超60m 的鋼結構情況，確定基于力學層面的跨度超60m 的鋼結構變形能力規劃表達的闡釋過程。

最后，結合現有標準，回顧與鋼結構雙重抗側力結構有關的兩端簡支壓桿的臨界荷載，進行有搖擺柱的大跨度鋼結構件荷載設計，獲得提高大跨度鋼結構件支撐架剛度富余的方法。

3 設計分析

3.1 計算結構與材料非線性計算

對于大跨度鋼結構而言，其在達到屈服荷載之前存在一個較大水平的形狀改變，具體表現為程度較大的幾何非線性改變，以往以線性假定、平面假定為根據的整體分解研究方式就無法滿足結構設計需求，必須引入材料幾何非線性計算方式。即針對結構趨近于自身所可承擔究極限度荷載情況下結構性質由線彈性轉化為塑性（結構屈服階段）所表現出的非線性性質，結合幾何非線性與前者相互耦合的雙重非線性，借助ANSYS 通用有限元軟件，進行結構的超大位置移動彈性——塑性全過程整體劃分研究，順利獲取究極載荷條件下大跨度鋼結構的運作狀態。

以廣東某桁架拱+面外支撐結構為例，該結構拋物線拱由三段圓弧擬合獲得，主體橫向、縱向分別采用四管桁架拱、平面桁架聯系。據此，可以構建長度×跨度×矢高為420m×182m×136m 的模型，在ANSYS 通用有限元軟件中開展力學分析。通過分析得出荷載臨界系數可達到10.5，桁架拱角部出現平面外屈曲，而在恒定荷載、半跨活荷載情況下，荷載臨界系數達到13.2 時桁架拱角部出現同樣的情況，表明結構線性穩定性、安全性、可靠性良好。同理對材料進行分析，可以得出材料穩定性、安全性良好的結論。

3.2 變形能力的設計

預起拱、預應力施加對于跨度超60m 的鋼結構體系穩定承載力影響較大，根據鋼結構體系的差異，其受影響的程度也存在一定差別。對于剛度處于較小水平的大跨度鋼結構而言，一旦構件強度與規范要求相符，則經預應力施加措施、結構預起拱措施的實施，可以達到現行規定的結構彈性小變形性能指標要求。其中預應力施加可以有效提升跨度超60m 的鋼結構體系的穩定承載力（除大懸挑結構體系外）并促使結構件彈塑性大變形值大幅度下降，保證體系彈性、變形量可靠、穩定。但是，由于這一方案實施過程中結構體系破壞變形值會出現較大的下降幅度，一旦預應力度超標，就會導致大跨度鋼結構件荷載與位置移動的相對變化曲線出現無法顯著觀察的屈服臺階脆性損壞。為避免上述問題出現，在設計階段，需要進行預應力度、預應力索系布置的全過程優化，并進行預應力構件安全系數的添加，保證大跨度鋼結構件體系形狀變化較大情況下預應力構件仍然具有完全彈性；而預起拱對于存在較大差異的跨度超60m 的鋼結構體系的彈塑性形態大體量演變值降低幅度處于較小的水平，無法有效提升對應結構體系彈塑性大變形能力。這種情況下，在大跨度鋼結構設計過程中，依據現有規范的預起拱方法，僅可用于解決彈性小變形能力要求，無法保證跨度超60m 的鋼結構體系的彈塑性形態演變效果。

3.3 荷載設計

為保證跨度超60m 的鋼結構局部穩定性，可結合現有《鋼結構設計標準（GB 50017—2017）》進行計算。具體設計前需要回顧與鋼結構雙重抗側力結構有關的兩端簡支壓桿的臨界荷載，并利用歐拉公式進行計算，公式如式（1）所示：

如式（1）所示，EI、H 分別為壓桿截面的抗彎剛度、壓桿長度，表明壓桿截面的剛度直接決定了壓桿件的承載力，相鄰構件的剛度也可以看成自身的承載力。在穩定極限狀態，因壓桿截面具有抗彎剛度其仍然可以保證完全彈性，這一狀態就可看作壓桿已達到極限荷載。此時，若大跨度鋼結構框架存在搖擺柱（如圖1所示），則在大跨度鋼結構框架柱的雙重抗側力結構長度計算時，就需要首先計算放大系數η，計算公式如式（2）所示：

圖1 鋼結構搖擺柱

如式（2）所示，∑Ni、∑Pj分別為全部搖擺柱上的軸力之和、框架柱上的軸力，采取放大處理后的核算長度，可以設計出較之無搖擺柱階段更大的鋼結構截面，保證剛度富余，為搖擺柱抵御壓力載荷提供支持。而對于大跨度鋼結構懸臂柱子頂部與鄰近的搖擺柱相連接時，搖擺柱的臨界荷載Ncr就可以用式（3）進行計算：

由式（3）可知，鋼結構件自身剛度、相鄰構件剛度均可以成就穩定荷載，此時，在鋼結構件截面強度足夠而自身剛度無法抵抗自身壓力載荷時，就可以通過提升相鄰構件的剛度抵抗自身壓力荷載。

以廣東省某項目大跨度鋼結構框架設計為例，假定其本身就具有側移失穩，且計算長度系數μs大于1，承載力為600kN，但由于設計階段希望框架側移失穩計算長度為1，承載力就演變為900kN，增加的300kN 均由鋼結構支撐架的抗側剛度提供。此時，若采取常規大跨度鋼結構荷載設計方法，就無法保證鋼結構支撐架荷載順利進入極限狀態[2]。因此，為保證鋼結構支撐架剛度富余，可以結合GB 50017—2017，進行實際演練。即以應力比的方式，進行荷載控制。具體公式如式（4）所示：

式中：ρ-應力；θ-二階效應系數。

4 設計目的

對于大跨度鋼結構件而言，現有設計鋼結構設計規范與規程并無法完全覆蓋，也無法沿用以往以線性假定、平面假定為根據的已有設計經驗，需要采用以性能為根據的設計手段。而以性能為根據的設計目的設定對大跨度鋼結構造價、安全等指標具有直接的影響，決定了設計成功或失敗，需要詳細劃定。總體上而言，以性能為根據的大跨度鋼結構設計目的為整體穩定性良好，無幾何非線性大變形出現。同時大跨度鋼結構整體抗風性能處于較為優良的水平，結構在中等地震、大型地震情況下仍然可以保持“不倒塌”“可修理維護”的狀態，且結構具有優良的防連續倒塌性能。從局部來看，以性能為根據的大跨度鋼結構設計目的與施工階段安全、質量、造價等要求相符合。

5 結語

綜上所述，在高強度材料應用范圍逐漸擴大、新的鋼結構施工技術陸續投入應用的進程中，鋼結構建筑朝著輕量化、大跨度方向發展。在大跨度鋼結構設計過程中，性能設計是應用較為有效的方式之一，可以利用高效率結構分析驗算的方式，預先估測荷載作用變化情況下結構的響應，制定詳細的優化方案，保證結構性能與業主以及規范要求的性能指標相符合。在未來的大跨度鋼結構式合計過程中，性能設計控制指標將更加完善、性能設計手段將更加先進、性能設計理論將更加豐富，為大跨度鋼結構設計工作的高效率開展提供保障。