基于性能的大跨度钢结构设计浅析

基于性能的大跨度钢结构设计浅析

赖敏荣

中外建工程设计与顾问有限公司广东分公司

摘要：本文主要对基于性能的大跨度钢结构设计要点进行分析探讨，以供参考。

关键词：性能；大跨度；钢结构；设计

一、钢结构基于性能设计的基本概念

自结构设计方法出现以后，随着时间的不断推移，传统结构设计方法已经无法满足现阶段的要求，而基于性能的结构设计正在成为未来结构设计的重要发展方向。所谓性能化设计，指的是使用工程方法，让钢结构性能更加趋于既定要求。与此同时，在基于性能的设计理论中，设计人员可通过分析计算、预测结构等方法，验证所设计的钢结构性能是否满足工程使用方的要求，确保钢结构性能可以贴合工程使用方的需求。

二、基于延性性能的设计思路

通常来说，如果构件或者结构存在较好的延性能力，其后期变形的程度也会越大，即便结构或者构件的屈服或承载力已经处于极限状态下，其仍然可以吸收一定程度的能量，有助于推迟延性破坏的时间。因此，在设计钢结构时，设计人员做好延性性能控制是很有必要的。在设计大跨度钢结构过程中，延性性能设计也成为了大跨度钢结构设计的重要思路。在延性设计时，需要对以下参数予以重点考虑，即：屈服荷载、破坏荷载、屈服变形以及破坏变形。此外，为了保证延性设计更加合理，设计人员首先要想办法计算出上述延性性能参数，并对屈服荷载值、屈服变形指标加以分析，确保大跨度钢结构可以得到可靠、安全的使用。另外，在延性设计时，设计人员要计算出准确的承载力比例系数，确保大跨度钢结构在出现结构破坏前可以储备一定大小的承载力。最后，延性设计过程中，设计人员要对变形比例系数予以准确、合理的确定，以此来确保大跨度钢结构在出现结构破坏前，结构自身可以有一定的变形能力储备。总之，钢结构基于延性的性能设计，设计人员要对体系几何非线性、材料非线性的计算分析加以考虑，从而获得钢结构屈服荷载、破坏荷载等性能参数，并以此为基础提出符合国家标准要求的安全设计性能控制指标。

三、基于性能的大跨度钢结构设计要点分析

1.钢材性能的设计

钢材具有可观的韧性，屈服点之前的韧性甚至和理想弹性体之间的性能相差无二。碳素结构钢的主要优势有应用范围很广、拥有良好的机械性能。低屈服点的钢材可以在焊接作用中操作简便；另外钢的韧性和强度较高，可以用在轧制钢板、钢筋，还可以制成钢管，这些材料可以在道路和桥梁中起到十分重要的作用，具有较高的荷载力。屈服点较高的钢材的优势是可塑性较强，因此可以用来制作简易的机械连杆、齿轮或者联轴器等元件。钢材性能之间的差异决定了它们在建筑工程中应用的范围，所以要根据它们的性能选择合适的工作环境，才能保证设计出来钢材的质量的特质满足工程的要求。

2.荷载类型设计

（1）永久荷载。在大跨度钢结构体系中，该荷载指的是屋盖结构与屋面覆盖材料的重量。其中前者往往是利用计算机或是公式完成计算操作，假如屋盖结构体系中含有檩条，也要将檩条重量计算进去；假如含有吊顶结构与设备通道，也要计算进去。后者包括防水层、屋面板以及屋面保温结构的重量。

（2）可变荷载。对于不同的工程也会有着不同的可变荷载：①屋面活荷载。在屋面均匀分布的活荷载。在计算的过程中必须要根据屋面水平投影面积完成计算操作。通常状况下，大跨度钢结构屋面上的活荷载往往选定为0.5kN/m2。假如在维修或是施工中面临很大荷载，就要根据实际状况进行应对。②雪荷载。该指标会受到钢结构屋面朝向与几何形状等诸多因素的影响。一般状况下，屋面雪荷载会比所有雪压更小，或许雪会从有着很大坡度的曲面屋顶进行滑落。在雪处于松散状态下会被风刮动。有的时候，雪或许也会被屋顶的散热进行融化。假如积雪存在于屋面双坡屋顶背风侧或者是存在于曲面屋顶，就需要对雪进行重新计算。③风载荷。假如建筑会对空气的流动产生不利影响，于是在建筑的表面就会产生法向的吸力以及压力，诸多力统称为建筑物所受的风荷载，这会对建筑物表面产生力的影响，会产生静力与动力的作用。通常状况下，静力包括稳定风以及平均风。动力包括脉动风。工作人员要根据静力学方法计算平均风，根据随机振动理论计算脉动风。

（3）偶然荷载。在大跨度钢结构设计工作中要对偶然荷载进行全面的考虑，其中包括地震等。在地面发生震动时会使得建筑物面临一定的惯性力。尽管荷载大小和钢结构的特性具有密切的关联，另外，也会在很大程度上受到地面运动特性的影响。基于调查研究结果表明，地震作用与建筑物重量具有正相关性。在计算大跨度钢结构地震作用时选择使用的方法是振型分解反应谱法，并且会借助于简化计算法对规则的网架结构进行研究与分析。

3.钢节点性能设计

钢结构节点设计质量对钢结构安全性能有着直接影响。目前，我国在大跨度钢结构设计方面存在较大问题就是钢节点，且大跨度钢结构工程中所发生的安全事故有很多都是因为钢节点所引发的。查阅大量资料后发现，我国与钢节点相关的规章条例中仅指出了节点的连接设计，并未针对钢节点综合设计予以清晰规定，这对钢节点设计的安全性有很大负面影响。同时，在具体施工环节，建设周期、工程成本对钢节点的试验有一定制约性，这对钢结构的安全稳定无法得到有力保障。

（1）节点设计承载力

通过对钢节点的荷载－应变整个流程的计算分析以及钢节点真实检测试验结果均说明，在大多数区域材料应变发展到屈服应变之前，钢节点会产生非线性增长，这充分表明：在钢管构件应力偏低的情况下，节点部分位置会呈现塑性重分布态势。与此同时，当节点部分位置从塑性转变为塑性区时，荷载也会随之极速增长。所以，将建材屈服应力当做钢结构节点承载力安全控制指标是不合理的，主要是因为节点设计承载力若是根据其弹性荷载极限来决定的话不太精准。对此，我们建议：节点屈服荷载的概念应当是节点塑性区在完全发展之后，且荷载－应变（位移）整个环节曲线图发生显著拐点时所相对应的荷载值。并非节点部分位置发生塑性时的荷载。而节点屈服应变与屈服位移则是节点屈服荷载所对应的节点应变与位移。虽然节点在弹性极限状态转变为屈服状态的过程中，流塑变动较大，这导致无法准确肯定详细屈服点和屈服荷载数值，但是依然能够将节点屈服荷载当成节点设计承载力。另外，节点在遭到破坏并达到极限时，其破坏荷载与定值十分接近，所以，在设计钢节点承载力时，将节点受到破坏时所承受的荷载当做基础，并预留一定安全系数对节点设计承载力予以确定。

（2）节点变形能力

通过观察钢节点的荷载－应变曲线图可得出，弹性极限应变方面，钢节点（≈0.0025）比材料（≈0.0019）要高；节点屈服应变方面，钢节点（≈0.0060）比材料（≈0.0031）要高。由此可见，钢节点应变性能安全控制指标不可以选取材料的屈服应变。对钢节点而言，无论是由弹性极限应变（位移）转变成屈服极限应变（位移）的过程，还是转变为最后破坏极限应变（位移）的过程，塑性都比较强。然而当钢节点状态为破坏极限时，径向变形极大，这说明主弦杆早已出现较大损害，所以，在实际设计钢节点承载力时，一定要严格把控破坏荷载影响下节点变形最大值。

参考文献：

[1]索楠,毕莹.圆形斜柱大跨度中庭空间钢结构设计探讨[J].中国建筑金属结构,2020(10):2.

[2]孙丽.高层建筑大跨度钢结构连廊设计的初步探讨[J].中国科技投资,2019,(05):27.