基于性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

段娜娜

摘? ? 要：隨著現(xiàn)代超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)不斷進(jìn)步，在設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷采用科學(xué)合理的計(jì)算方法，充分借用計(jì)算機(jī)技術(shù)，滿足鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)發(fā)展要求。工程設(shè)計(jì)人員要不斷借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，保障超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和合理性。

關(guān)鍵詞：性能;大跨度;鋼結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

1? 前言

超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)思路以及設(shè)計(jì)形式上與傳統(tǒng)形式并無(wú)明顯的差異性，大跨度鋼結(jié)構(gòu)主要注重設(shè)計(jì)中的荷載和可能產(chǎn)生的變形問(wèn)題。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于整體材料要求也較高，節(jié)點(diǎn)所使用的材料對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的承載力性能和結(jié)構(gòu)變形能力都有較為深遠(yuǎn)的影響。整體結(jié)構(gòu)需要考慮系統(tǒng)受力，將空間結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體去分析受力狀況，以滿足設(shè)計(jì)要求以及應(yīng)用效果。從目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于這種結(jié)構(gòu)的研究上來(lái)看，主要研究系統(tǒng)的整體性能，尋找較為合理的工程學(xué)設(shè)計(jì)思路，抓住系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體性能計(jì)算核心方法，以完成既有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主要目標(biāo)，對(duì)整體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算，從模型中判斷在不同的荷載情況下不同的鋼結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，從而能夠判斷超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的整體性能，對(duì)于總體建筑設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)判。

2? 鋼結(jié)構(gòu)基于性能設(shè)計(jì)的基本概念與設(shè)計(jì)思路

2.1? 性能設(shè)計(jì)

自結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法出現(xiàn)以后，隨著時(shí)間的不斷推移，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)階段的要求，而基于性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正在成為未來(lái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向。所謂性能化設(shè)計(jì)，指的是使用工程方法，讓鋼結(jié)構(gòu)性能更加趨于既定要求。與此同時(shí)，在基于性能的設(shè)計(jì)理論中，設(shè)計(jì)人員可通過(guò)分析計(jì)算、預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)等方法，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)性能是否滿足工程使用方的要求，確保鋼結(jié)構(gòu)性能可以貼合工程使用方的需求。

2.2? 基于延性性能的設(shè)計(jì)思路

通常來(lái)說(shuō)，如果構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)存在較好的延性能力，其后期變形的程度也會(huì)越大，即便結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的屈服或承載力已經(jīng)處于極限狀態(tài)下，其仍然可以吸收一定程度的能量，有助于推遲延性破壞的時(shí)間。因此，在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)人員做好延性性能控制是很有必要的。在設(shè)計(jì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)過(guò)程中，延性性能設(shè)計(jì)也成為了大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要思路。在延性設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)以下參數(shù)予以重點(diǎn)考慮，即：屈服荷載、破壞荷載、屈服變形以及破壞變形。此外，為了保證延性設(shè)計(jì)更加合理，設(shè)計(jì)人員首先要想辦法計(jì)算出上述延性性能參數(shù)，并對(duì)屈服荷載值、屈服變形指標(biāo)加以分析，確保大跨度鋼結(jié)構(gòu)可以得到可靠、安全的使用。另外，在延性設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要計(jì)算出準(zhǔn)確的承載力比例系數(shù)，確保大跨度鋼結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞前可以儲(chǔ)備一定大小的承載力。最后，延性設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員要對(duì)變形比例系數(shù)予以準(zhǔn)確、合理的確定，以此來(lái)確保大跨度鋼結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞前，結(jié)構(gòu)自身可以有一定的變形能力儲(chǔ)備?？傊?，鋼結(jié)構(gòu)基于延性的性能設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員要對(duì)體系幾何非線性、材料非線性的計(jì)算分析加以考慮，從而獲得鋼結(jié)構(gòu)屈服荷載、破壞荷載等性能參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)提出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的安全設(shè)計(jì)性能控制指標(biāo)。

3? 設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)分析

3.1? 變形設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的變形對(duì)荷載的影響，要使得其變形性能滿足設(shè)計(jì)需要，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)體系也要滿足彈性形變的要求，滿足系統(tǒng)的彈性變形。系統(tǒng)構(gòu)件除了要從整體上進(jìn)行分析以外，還要學(xué)會(huì)拆分，每一個(gè)構(gòu)件的受力都要符合標(biāo)準(zhǔn)，不能夠超出桿件的承載力范圍。為了使得桿件受力符合特性需要，也可對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的方法，使得材料滿足彈性形變。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施加的預(yù)應(yīng)力能夠有效提升超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度，使其結(jié)構(gòu)承載力滿足性能要求，要有效降低整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)體系的彈性形變和塑性形變，同時(shí)能夠提升整體鋼結(jié)構(gòu)的抗變形能力。對(duì)于整體鋼結(jié)構(gòu)實(shí)施預(yù)應(yīng)力能夠進(jìn)一步防止超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞性的形變。

3.2? 荷載設(shè)計(jì)

對(duì)于永久荷載來(lái)說(shuō)，在超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，永久荷載主要包括屋面以及屋蓋的質(zhì)量。在屋面整體結(jié)構(gòu)中，上部的覆蓋物也要計(jì)算在內(nèi)，主要包括屋面板以及保溫板等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的荷載可以通過(guò)計(jì)算軟件進(jìn)行合成模擬，以找出最佳的荷載計(jì)算量以及最大的荷載承受能力。屋蓋結(jié)構(gòu)有時(shí)包括一些附屬性的設(shè)施，包括附屬的管道和設(shè)備等，都要計(jì)算在內(nèi)。

上面主要闡述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的永久荷載，另外一部分荷載來(lái)自于系統(tǒng)的活荷載，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，所承擔(dān)的活荷載也有很大的差異性，經(jīng)過(guò)研究，主要包括以下幾種活荷載：

①主要是屋面的活荷載。這種性質(zhì)的活荷載需要考慮的因素是活荷載所占用的面積，一般在計(jì)算中都會(huì)近似將其視作分布較為均勻的活荷載，以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。一般采用0.5kN/m2，如果在施工過(guò)程中遇到較大幅度的荷載，需要采用科學(xué)的計(jì)算方法。②雪荷載。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體形狀以及結(jié)構(gòu)的朝向會(huì)影響雪荷載的大小。在一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)屋面所承受的雪荷載一般小于全部雪壓的重量，雪可以從曲面屋頂滑落，也有一部分雪被屋頂熱融化。如果曲面屋頂出現(xiàn)積雪，應(yīng)該重新計(jì)算結(jié)構(gòu)的雪荷載。③風(fēng)荷載，對(duì)于超大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于體積比較大，因此會(huì)阻礙空氣的流動(dòng)，空氣在建筑物表面流動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的吸引力。風(fēng)荷載一般施加于建筑物的表面中，并且表現(xiàn)兩種形式：a.動(dòng)力;b.靜力。穩(wěn)定的風(fēng)荷載一般估計(jì)為靜力，其余被歸結(jié)為動(dòng)力部分。平均風(fēng)荷載可以利用靜力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，其余可以借助于動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行模擬運(yùn)算。④偶然荷載。偶然荷載主要考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中在偶然條件下所面臨的荷載，比如說(shuō)地震過(guò)程中產(chǎn)生的荷載。如果系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)在地震等強(qiáng)作用力條件下，會(huì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的慣性作用力。這種慣性作用力與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身的特性有著比較大聯(lián)系，計(jì)算規(guī)則也與系統(tǒng)自身的特性有關(guān)。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身重量越大，受到的慣性作用力也就越大。這種系統(tǒng)產(chǎn)生的慣性作用力可以利用一些有限元軟件進(jìn)行模擬，以測(cè)試系統(tǒng)的真實(shí)抗震性能，形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，以簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算規(guī)則。

4? 結(jié)束語(yǔ)

為了保證鋼結(jié)構(gòu)工程的使用質(zhì)量，特別是大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程的使用質(zhì)量，設(shè)計(jì)人員除了要努力提升自身綜合素質(zhì)外，還應(yīng)切實(shí)的加大對(duì)于基于性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究力度，努力提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量，確保大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程的性能可以符合業(yè)主的要求，保證大跨度鋼結(jié)構(gòu)的使用始終處于最佳性能，為進(jìn)一步加快我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展增添新的動(dòng)能，對(duì)全面提升我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)水平有著重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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