基于性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

黃福安

【摘要】本文對大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計思想和設(shè)計要點進行了詳細的介紹，并結(jié)合了多年大跨度的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，對大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題進行了分析。

【關(guān)鍵詞】大跨度鋼結(jié)構(gòu)；性能設(shè)計；設(shè)計要點；設(shè)計分析

前言：隨著社會的發(fā)展與進步，鋼結(jié)構(gòu)在大跨度建筑設(shè)計中應(yīng)用越來越廣泛。在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，延性性能的控制對其有重要影響。在大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)相關(guān)的設(shè)計規(guī)范、設(shè)計要點選用正確的設(shè)計方法進行鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計。

一、大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的思想

1、基于性能的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計方法中，目前主要的設(shè)計方向是基于性能的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，所謂基于性能的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計就是采用相關(guān)的工程設(shè)計方法，完成既定的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的設(shè)計方法，在基于性能的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，通過一定的結(jié)構(gòu)分析計算，對不同載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行有效的預(yù)測，以此來對大跨度鋼結(jié)構(gòu)的性能進行評估，判斷其結(jié)構(gòu)性能是否滿足相關(guān)的性能指標(biāo)。

2、基于延伸性能的設(shè)計

延伸性能指的是鋼結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件的某個截面從開始屈服的階段到極限載荷的階段中，載荷沒有明顯下降的變形能力，對于延性性能較好的構(gòu)件來說，在后期具有較大的變形能力，在構(gòu)件達到承載力的極限之后還具有一定的能量吸收能力，在對其造成破壞之前會表現(xiàn)出一定的延性破壞，在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中必須要對鋼結(jié)構(gòu)的延性性能進行控制。

二、大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

大跨度主要按照變形能力的設(shè)計和荷載類型進行設(shè)計，其荷載主要分為永久荷載、可變荷載、偶然荷載。對于永久荷載，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值。對于可變荷載，應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求采用標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值或準(zhǔn)永久值作為代表值。對于偶然荷載，應(yīng)按照建筑結(jié)構(gòu)使用的特點確定其代表值。

1、變形能力的設(shè)計

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，如果鋼結(jié)構(gòu)的剛度偏小，只能夠滿足最低的穩(wěn)定承載力的指標(biāo)，當(dāng)結(jié)構(gòu)體系中彈塑性的極限變形值過大時，結(jié)構(gòu)體系的大變形會使結(jié)構(gòu)倒塌。因此，在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，鋼結(jié)構(gòu)體系必須同時滿足變形能力及穩(wěn)定承載力兩方面的要求。

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，鋼結(jié)構(gòu)體系中的構(gòu)件能夠達到相應(yīng)的強度要求之后，想要達到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)彈性的小變形指標(biāo)，可以采用施加預(yù)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)預(yù)起拱等措施。

采用施加預(yù)應(yīng)力的方法能夠有效的提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)的剛度；另一方方面，運用這種方法還能有效的降低其結(jié)構(gòu)體系的彈塑性變形值，運用施加預(yù)應(yīng)力的方法是一種可靠的將大跨度鋼結(jié)構(gòu)中的彈塑性變形能力及彈性同時提高的措施，在對大跨度鋼結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力時，會有效的降低鋼結(jié)構(gòu)體系的破壞變形值，但是如果所采用的預(yù)應(yīng)力過大，很容易造成鋼結(jié)構(gòu)的脆性破壞，因此在施加預(yù)應(yīng)力的時候，應(yīng)使鋼結(jié)構(gòu)體系處在彈性階段，并采取適當(dāng)措施增加預(yù)應(yīng)力構(gòu)件所擁有的安全系數(shù)。

2、荷載類型進行設(shè)計

①、永久荷載

對大跨度結(jié)構(gòu)，永久荷載主要包括屋蓋結(jié)構(gòu)自重和屋面覆蓋材料自重。屋蓋結(jié)構(gòu)的自重計算可采用經(jīng)驗公式或由計算機自動完成，在有擦體系中，還應(yīng)計入擦條的自重。屋面覆蓋材料自重主要是指屋面板、屋面保溫層、找坡層及防水層等的自重。若有吊頂?shù)妊b修構(gòu)造或設(shè)備管道，按實際情況采用。

②、可變荷載

作用在大跨度鋼結(jié)構(gòu)上的可變荷載有以下幾種。

（1）屋面活荷載。屋面均布活荷載一般按屋面的水平投影面計算。對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)，不上人屋面，屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用0.5kN/m2，但當(dāng)施工或維修荷載較大時，應(yīng)按實際情況采用，或在施工中采取特殊措施；上人屋面，屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用2.0kN/m2。

（2）雪荷載。屋面雪荷載的大小主要與屋面的幾何形狀、朝向和風(fēng)向等有關(guān)。大多數(shù)情況下，屋面雪荷載小于荃本雪壓。 這是因為雪可從坡度較大的曲面屋頂滑落，風(fēng)可將松散的雪從平屋頂刮下，有時雪還可能被屋頂外皮的散熱所融化。然而，有時也會產(chǎn)生積雪，如雙坡屋面的背風(fēng)一側(cè)、雙跨或多跨曲面屋頂?shù)慕唤犹幍?。此時必須考慮采用較大的雪荷載。

（3）風(fēng)荷載當(dāng)空氣的流動受到建筑物的阻礙，就會在建筑物表面的法向形成壓力或吸力，這些壓力或吸力稱為建筑物所受的風(fēng)荷載。風(fēng)荷載具有靜力和動力作用的雙重特點，其靜力部分稱為平均風(fēng)或穩(wěn)定風(fēng)，動力部分稱為脈動風(fēng)。平均風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用可用靜力學(xué)的方法求得；脈動風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用應(yīng)采用動力學(xué)的隨機振動理論求得。

（4）溫度作用。大跨度鋼結(jié)構(gòu)在因溫度變化而出現(xiàn)溫差時，由于桿件不能自由變形，會在桿件中產(chǎn)生應(yīng)力，即溫度應(yīng)力。溫差的大小與結(jié)構(gòu)合攏時的溫度與當(dāng)?shù)啬曜罡呋蜃畹蜌鉁叵嚓P(guān)，在設(shè)計中應(yīng)考慮。關(guān)于溫度應(yīng)力的計算原則按空問結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)程執(zhí)行。

（5）支座位移。大跨度鋼結(jié)構(gòu)由于位移的不均勻沉降而引起結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)附加應(yīng)力。

③、偶然荷載

在大跨度鋼結(jié)構(gòu)分析中，偶然荷載主要是指地震作用。地震作用是建筑物因地面運動而產(chǎn)生的一種慣性作用，屬于動力作用。它的大小既與結(jié)構(gòu)的固有振動特性有關(guān)，又與地面運動的特性有關(guān)。地震作用與建筑物的重量直接相關(guān)，重量越大，地震作用也越大。大跨度鋼結(jié)構(gòu)的地震作用一般可采用振型分解反應(yīng)譜法計算；對于某些規(guī)則的網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)還可采用簡化計算方法；對特別重要或體型特別復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用時程分析法進行補充計算。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題及分析

1、存在的問題

由于大跨度鋼結(jié)構(gòu)有其他各種材料結(jié)構(gòu)不可代替的優(yōu)越性，使得它越來越被廣大的遇著所接受，相應(yīng)的跨度也越來越大，超過30米跨度的結(jié)構(gòu)已經(jīng)屢見不鮮。但是因為鋼材的多用性和實用性，鋼材的價格波動較大，二鋼柱的用量往往大于鋼梁的用量，又因為防火涂料的昂貴性，從而使得不少的技術(shù)人員提出并采用了傳統(tǒng)的的鋼筋混凝土柱和H鋼屋梁來代替原先設(shè)計中的鋼材。實際上，這些設(shè)計的內(nèi)容已經(jīng)給相關(guān)的設(shè)計人員帶來了一種新的設(shè)計理念和設(shè)計結(jié)構(gòu)體系。但是由于我國目前并沒有針對此種結(jié)構(gòu)設(shè)定專門的參數(shù)，使得此種結(jié)構(gòu)方式在實際中容易出現(xiàn)細節(jié)的含糊，給的安全帶來不必要的隱患。所以對于此種結(jié)構(gòu)，應(yīng)該先對其在實際中需求的參數(shù)極限值進行詳細的分析和探究，清楚的認識其內(nèi)部的受力特點，這樣才能使得整個結(jié)構(gòu)更加的合理和安全。

2、結(jié)構(gòu)計算應(yīng)考慮的問題

對于上述問題中用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱和H鋼屋梁來代替原先設(shè)計中的材料的結(jié)構(gòu)體系，如果沒有設(shè)置拉桿，就會使得計算過程變得極為繁瑣，但如果無視其跨度的大小，僅僅采用通常平面系的計算機軟件計算，則會給結(jié)構(gòu)留下一定的安全隱患。就目前而言，平面桿系計算機軟件是在兩個基本的假設(shè)基礎(chǔ)上進行各種受力分析的，第一是平截面假設(shè)，即每一個構(gòu)件受力過程中桿件的截面不變；第二是桿件相互之間的夾角不變，即在實際的受力中，鋼梁和鋼柱之間的夾角相互保持不變。這種假設(shè)主要是為了門式鋼架而設(shè)定的，基本符合受力簡圖，但是這種假設(shè)對于當(dāng)下的結(jié)構(gòu)不適用，也不符合其受力簡圖。其具體在于先下的人字型的鋼梁的推理過大，因為拱腳沒有相應(yīng)的拉桿或者柱沒有充足的抗推力，構(gòu)件就會產(chǎn)生很大的水平位移，造成鋼梁夾角的改變，這與前面的兩個假設(shè)中的夾角不變假設(shè)相互沖突，不便于計算；其次，因為拱腳水平位移加大，鋼筋混凝土有了其附加的彎矩，即存在二階效應(yīng)問題，但是相應(yīng)的軟件計算中由沒有考慮二階效應(yīng)。又由于懸索效應(yīng)的影響，位于屋面上的鋼梁內(nèi)力將會急劇的增加，其剪力也會急劇的增加，造成更加不利的情況，這些都是目前的計算機軟件不能解決的問題，所以電算的結(jié)果勢必會有很大的誤差，直接利用電算結(jié)果進行設(shè)計顯然是不合理的，會有其必然的安全隱患。

四、結(jié)語

隨著工程設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法、設(shè)計工具、計算手段等不斷進步，大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理念也會隨著人們的需求不斷向前發(fā)展。作為一個大跨度鋼結(jié)構(gòu)的從業(yè)者，更應(yīng)該對鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展和其核心的內(nèi)容進行深入的了解，積極的借鑒國內(nèi)外其他區(qū)域的大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念和設(shè)計經(jīng)驗，充實自身的設(shè)計思路和對整個設(shè)計系統(tǒng)的規(guī)劃，從而使得大跨度房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計在未來有其新穎性和創(chuàng)新性。