基于性能的大跨度钢结构设计研究苑宪朝

基于性能的大跨度钢结构设计研究苑宪朝

苑宪朝郑洲

山东天元安装工程有限公司山东临沂276000

摘要：大跨度钢结构与其他多种形式的钢结构设计类似，需要重点解决结构变形设计、载荷设计等方面的问题。另外，大跨度结构体系会受到材料等方面的影响，质量控制过程中需要明确构件和节点的影响。在工程实践的同时，设计人员需要结合行业规范对整体结构进行分析和计算。

关键词：基于性能；大跨度钢结构；设计

引言

与传统的钢结构设计一样，大跨度钢结构设计作业在实际开展的过程中，需要加强对于结构体系、构件、连接节点等方面的考量以及设计。此外，由于大跨度钢结构体系在构建的过程中，其自身的几何与材料非线性影响突出，为此，设计人员需要加强对于这一问题的考量，促进基于性能的大跨度钢结构设计的科学性以及合理性。

1钢结构基于性能的设计概述

1.1性能设计

所谓的性能化设计（performance-baseddesign）指的是借助工程方法，实现既定结构性能目标的设计方法。一般情况下，相关的技术人员在进行基于性能的设计作业过程中，往往需要加强对于大跨度结构的分析以及计算，并在此基础之上实现对于钢结构在各种条件下相应的预测，从而在此基础之上促进技术人员对于大跨度结构性能是否符合相关的规定进行判断，促进相关结构设计更趋合理、科学。

1.2结构几何与材料双非线性计算分析

近年来，随着科学技术的发展、运用以及高强度材料的不断出现，使得我国钢结构建筑朝着轻质量、大跨度的方向发展。事实上，基于钢材料本身的特征，使得钢结构设计在达到屈服荷载之前，往往会出现较大的变形，并呈现出明显的几何非线性性质。基于这样的状况，在进行基于性能的大跨度钢结构设计作业过程中，传统的基于平面和线性假定的分析方法已经无法满足相关的要求。为此，设计人员逐渐加强了对于几何非线性进行承载力的分析。事实上，钢结构一旦逼近最高荷载极限时，其往往会呈现出屈服状态，而材料的性质也会因此朝着塑性的方向转化，表现出材料的非线性性质。为此，设计人员需要加强对于几何非线性和材料非线性相互藕合的双重非线性的考量，在设计的操作过程中需要借助有限元方法，实现对结构大位移弹塑性过程的分析和计算。

目前，ANSYS等通用有限元计算软件凭借着其自身的优点，获得了相关部门的青睐，并广泛的运用在设计作业的过程中，事实上，这类工具的运用往往为设计人员提供切实可行的基于结构几何与材料双非线性的全过程计算分析方法和手段。

2基于性能的大跨度钢结构设计要点

2.1稳定承载力

在进行钢结构体系稳定承载力的分析过程中，笔者结合了08年奥运羽毛球馆、贵阳奥体中心等大量工程实践中的平面桁架、空间桁架、空间张弦梁等十几种不同大跨度钢结构体系进行分析研究，并在此基础上提出大跨度钢结构稳定承载力设计方法与控制指标。一般情况下，当大跨度钢结构体系均呈现大变形失稳破坏形态的过程中，相关的技术人员往往需要加强对于基于双非线性的荷载拉移全过程的分析，并收集结构体系屈服荷载、破坏荷载等系数指标。随后，需要对收集到的系数指标进行对比分析，并取三者中小值作为体系稳定承载力系数。最后就需要设计人员借助几何非线性以及双非线性的方法进行钢结构体系稳定承载力的分析。

2.2变形能力

在进行变形能力的设计过程中，一方面需要对刚度小的大跨度钢结构采取结构预起拱、施加预应力等措施，继而确保钢结构的变形能力符合相关的现行规范；另一方面由于预起拱对大跨度钢材结构体系的稳定承载力会产生不同程度的影响，为此就需要设计人员依据现行的规范方法，对预起拱的弹性小以及变形能力进行转变，继而确保结构体系的弹塑性变形能力，促进相关性能的提高。

2.3结构几何与材料双非线性计算分析

随着新材料、新技术与新工艺的应用，钢结构建筑的重量更轻、跨度更大，在达到屈服荷载之前变形更大，表现出几何非线性性质。当结构接近极限荷载时钢结构进入屈服阶段，材料的性质也由线弹性渐渐向塑性转化，表现出材料非线性性质。因此，设计时必须充分考虑几何和材料相互耦合的双重非线性，采用有限元方法进行大位移弹塑性全过程分析，以确定极限荷载作用下的结构工作状态。目前ANSYS等有限元计算软件已在设计领域广泛应用，为基于结构几何与材料双非线性的全过程计算分析提供了有力支撑。

2.4膜结构设计

膜结构是由多种高强薄膜材料和钢架、钢柱或钢索等加强钢构件，通过内部所产生的预张应力而形成的一种覆盖结构，能承受一定的外荷载。膜结构可分为充气膜结构和张拉膜结构两大类。其中，张拉膜结构是通过柱及钢架支承或钢索张拉成型。膜结构是建筑结构中发展起来的最新形式，打破了传统的直线建筑风格，代之以优美的曲面造型，呈现刚与柔、力与美的完美结合，给建筑设计提供了更大的发挥空间。目前，膜结构逐渐应用于展览中心、体育场馆、商场和交通服务设施等大跨度建筑中。

2.5网壳钢结构设计

网壳钢结构是以钢杆件为基础，按照设计好的壳体结构以一定规律组成网格布置的空间钢构架。它与平板网架结构类似，但具有杆系和壳体的双重特性。其主要通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点来实施传力，具有支撑空间大、可跨越度大、应用范围广等特性。此结构常用于体育场穹顶等处，是目前倍受国内外关注、发展前景良好的空间结构。

结束语

随着现代工程技术的发展，大跨度钢筋结构的设计方法和计算方法也在不断进步，大跨度钢结构设计过程中必须以人们的需求为主要目标，设计人员也被必须注重钢结构的发展，对设计内容进行更深入的了解，积极借鉴国际先进设计经验，不断完善设计思路，优化整体结构设计，保证大跨度钢结构体系体现出新颖性和实用性。

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