基于性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)路徑探究

郭 春

（山西省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030009）

在現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的背景下，人們對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的需求量也在不斷上升。決定大跨度鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要因素之一就是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)格外注意結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)體系、變形設(shè)計(jì)、構(gòu)件穩(wěn)定性設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)等方面。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中也存在些許問題缺陷，比如大跨度鋼結(jié)構(gòu)的跨度尺寸不統(tǒng)一、不規(guī)范，這對(duì)設(shè)計(jì)工作帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，并制定出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，為設(shè)計(jì)質(zhì)量奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 基于性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

1.1 性能設(shè)計(jì)

縱觀全球結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的歷史演變與發(fā)展，日后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方向是性能設(shè)計(jì)，也就是通過一系列手段確定結(jié)構(gòu)的性能。性能設(shè)計(jì)的基本理論就是將鋼結(jié)構(gòu)面對(duì)負(fù)載時(shí)的現(xiàn)象進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算、全面分析、合理預(yù)測(cè)，最后對(duì)其性能能否充分滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需求予以有效評(píng)估。

1.2 計(jì)算分析

社會(huì)的不斷發(fā)展帶動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種新型技術(shù)與新型材料層出不窮，尤其是鋼結(jié)構(gòu)方面，不僅跨度到達(dá)了新的范圍，鋼結(jié)構(gòu)的自重也得到了減輕。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)變形程度即將為屈服荷載之前，其會(huì)顯示為非線性狀態(tài)，由此可得，應(yīng)用過去的計(jì)算方法是無法準(zhǔn)確核算出以上非線性承載力的［1］。而當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)到達(dá)屈服承載力時(shí)，鋼材也會(huì)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性狀態(tài)，即從彈性變成塑性。因此，計(jì)算材料與結(jié)構(gòu)非線性的方式為最佳。

1.3 延性設(shè)計(jì)

延性即結(jié)構(gòu)或材料轉(zhuǎn)變?yōu)榍O限荷載之后，其變形性能未得到有效減小。如果某個(gè)構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)具備較強(qiáng)的延性，那么通常在后續(xù)環(huán)節(jié)出現(xiàn)變形的概率比較大，同時(shí)它們的承載力也會(huì)到達(dá)極限，此時(shí)它們只能承受一部分負(fù)荷。并且變形程度與延性有直接關(guān)系，若是變形程度偏大，那么說明延性遭遇了較大的損害。當(dāng)前，在對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必要遵循控制延性性能的基本原則，即在設(shè)計(jì)延性性能時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)體系核算予以全面考慮，獲得曲線與相關(guān)參數(shù)之后，再對(duì)安全設(shè)計(jì)性能指標(biāo)予以嚴(yán)格控制。

2 基于性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 變形能力設(shè)計(jì)

在對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)體系應(yīng)當(dāng)充分滿足變形方面、結(jié)構(gòu)承載性能以及穩(wěn)定性能方面的基本需求。尤其是鋼結(jié)構(gòu)體系中的構(gòu)件強(qiáng)度，必須要跟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度相符，然后再合理掌控鋼材結(jié)構(gòu)彈性變形力度，可有效提升大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平。除此之外，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)施加一定預(yù)應(yīng)力，并預(yù)先起拱，起拱大小要根據(jù)實(shí)際情況確定，該行徑有助于優(yōu)化改良鋼結(jié)構(gòu)的外觀，同時(shí)對(duì)后期使用環(huán)節(jié)也有很大幫助。而施加預(yù)應(yīng)力措施，則能夠增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的剛度和承載性能，抑制結(jié)構(gòu)彈塑性變形問題的發(fā)生，并且也能夠顯著提升鋼結(jié)構(gòu)體系的彈塑性變形能力。但是需要注意的是，對(duì)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力時(shí)一定要掌控好力度，以便能夠盡數(shù)消除結(jié)構(gòu)變形、受損對(duì)其各項(xiàng)性能所產(chǎn)生的不利影響。

2.2 荷載設(shè)計(jì)

荷載包含永久荷載、可變荷載以及偶然荷載三大類，對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)而言，永久荷載往往是指屋面上鋪設(shè)建材自重和屋蓋結(jié)構(gòu)自重［2］。其中屋面上鋪設(shè)建材種類較多，比如：屋面板、屋面保溫結(jié)構(gòu)、防水層等；而屋蓋結(jié)構(gòu)主要是指檁條結(jié)構(gòu)，因此在計(jì)算屋蓋結(jié)構(gòu)自重時(shí)，一定要計(jì)算檁條的重量，工作人員可應(yīng)用計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)行計(jì)算。此外，若是屋蓋結(jié)構(gòu)中具備吊頂、管道等設(shè)備，也要予以計(jì)算。同時(shí)，大跨度鋼結(jié)構(gòu)極易因?qū)嶋H施工環(huán)節(jié)中的各種因素而受到干擾，所以，可變荷載會(huì)產(chǎn)生極大的差異化，具體有以下幾種：

1）屋面活荷載。在計(jì)算該荷載時(shí)，應(yīng)當(dāng)以屋面水平方向投影區(qū)域面積為主要參考依據(jù)。一般情況下，大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面活荷載是0.5kN/m2，倘若在實(shí)際施工環(huán)節(jié)或者是維修護(hù)理階段發(fā)現(xiàn)活荷載偏大，那么應(yīng)當(dāng)對(duì)其實(shí)施及時(shí)有效的措施予以解決。

2）雪荷載。雪荷載大小通常是由大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面的外形輪廓、朝向等要素來決定的。不出意外的情況下，屋面雪荷載絕對(duì)會(huì)在雪壓最大值之下。如果該工程中的屋面十分陡峭，有一定坡度，那么雪會(huì)順著坡度而向地面上滑落，再加之風(fēng)也會(huì)吹走一部分雪，同時(shí)太陽的出現(xiàn)會(huì)讓周圍環(huán)境溫度上升，屋面上的雪也會(huì)逐漸融化；如果該工程中是雙坡屋面，那么相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)格外注意該屋面的背風(fēng)坡或者曲面屋頂位置的積雪，該情況下應(yīng)當(dāng)重新核算雪荷載。

3）風(fēng)荷載。一般來說，大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑物會(huì)對(duì)周遭環(huán)境中的空氣流產(chǎn)生一定影響，比如會(huì)對(duì)空氣的順利正常流動(dòng)予以阻擋，此時(shí)建筑物表層會(huì)產(chǎn)生大小強(qiáng)弱各不相同的法相壓力與吸力，這些力正是風(fēng)荷載。風(fēng)荷載所出現(xiàn)的主要場(chǎng)所就是建筑物表層，并有兩大作用，分別是：①靜力作用。該作用主要針對(duì)平均風(fēng)與穩(wěn)定風(fēng)，在對(duì)該類型風(fēng)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)選取靜力學(xué)方式；②動(dòng)力作用。一般指建筑物受到的脈動(dòng)風(fēng)。要想計(jì)算脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)所造成的作用力，可應(yīng)用動(dòng)力學(xué)中的隨機(jī)振動(dòng)機(jī)理。

除此之外，偶然荷載在大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也占據(jù)著重要地位，比如地震等突發(fā)性、偶然性的自然災(zāi)害都屬于偶然荷載，所以在對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)予以設(shè)計(jì)時(shí)，一定要全面考慮偶然荷載對(duì)建筑物承載力的影響。而地震屬于一種動(dòng)力作用，地震的發(fā)生會(huì)讓整個(gè)地面產(chǎn)生振動(dòng)，從而讓建筑物出現(xiàn)慣性作用，該作用力強(qiáng)弱主要是由結(jié)構(gòu)自身振動(dòng)性能與地面運(yùn)動(dòng)特征所決定的。而地震作用則是跟建筑物重量息息相關(guān)，并且兩者關(guān)系呈正比。在計(jì)算方法上，振型分解反應(yīng)譜法比較適合用于大跨度鋼結(jié)構(gòu)中的地震作用計(jì)算中；簡(jiǎn)化算法則適合應(yīng)用于部分規(guī)則的網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的地震作用計(jì)算中；時(shí)程分析法則多數(shù)應(yīng)用在極為關(guān)鍵或者體型繁復(fù)的空間結(jié)構(gòu)地震作用計(jì)算中。

2.3 鋼節(jié)點(diǎn)性能設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)鋼結(jié)構(gòu)安全性能有著直接影響。目前，我國(guó)在大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在較大問題就是鋼節(jié)點(diǎn)，且大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程中所發(fā)生的安全事故有很多都是因?yàn)殇摴?jié)點(diǎn)所引發(fā)的。查閱大量資料后發(fā)現(xiàn)，我國(guó)與鋼節(jié)點(diǎn)相關(guān)的規(guī)章條例中僅指出了節(jié)點(diǎn)的連接設(shè)計(jì)，并未針對(duì)鋼節(jié)點(diǎn)綜合設(shè)計(jì)予以清晰規(guī)定，這對(duì)鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的安全性有很大負(fù)面影響。同時(shí)，在具體施工環(huán)節(jié)，建設(shè)周期、工程成本對(duì)鋼節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)有一定制約性，這對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定無法得到有力保障。

2.3.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)承載力

通過對(duì)鋼節(jié)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變整個(gè)流程的計(jì)算分析以及鋼節(jié)點(diǎn)真實(shí)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果均說明，在大多數(shù)區(qū)域材料應(yīng)變發(fā)展到屈服應(yīng)變之前，鋼節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生非線性增長(zhǎng)，這充分表明：在鋼管構(gòu)件應(yīng)力偏低的情況下，節(jié)點(diǎn)部分位置會(huì)呈現(xiàn)塑性重分布態(tài)勢(shì)。與此同時(shí)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)部分位置從塑性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詤^(qū)時(shí)，荷載也會(huì)隨之極速增長(zhǎng)。所以，將建材屈服應(yīng)力當(dāng)做鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)承載力安全控制指標(biāo)是不合理的，主要是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)承載力若是根據(jù)其彈性荷載極限來決定的話不太精準(zhǔn)。對(duì)此，我們建議：節(jié)點(diǎn)屈服荷載的概念應(yīng)當(dāng)是節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)在完全發(fā)展之后，且荷載-應(yīng)變（位移）整個(gè)環(huán)節(jié)曲線圖發(fā)生顯著拐點(diǎn)時(shí)所相對(duì)應(yīng)的荷載值［3］。并非節(jié)點(diǎn)部分位置發(fā)生塑性時(shí)的荷載。而節(jié)點(diǎn)屈服應(yīng)變與屈服位移則是節(jié)點(diǎn)屈服荷載所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)變與位移。雖然節(jié)點(diǎn)在彈性極限狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榍顟B(tài)的過程中，流塑變動(dòng)較大，這導(dǎo)致無法準(zhǔn)確肯定詳細(xì)屈服點(diǎn)和屈服荷載數(shù)值，但是依然能夠?qū)⒐?jié)點(diǎn)屈服荷載當(dāng)成節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)承載力。另外，節(jié)點(diǎn)在遭到破壞并達(dá)到極限時(shí)，其破壞荷載與定值十分接近，所以，在設(shè)計(jì)鋼節(jié)點(diǎn)承載力時(shí)，將節(jié)點(diǎn)受到破壞時(shí)所承受的荷載當(dāng)做基礎(chǔ)，并預(yù)留一定安全系數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)承載力予以確定。

2.3.2 節(jié)點(diǎn)變形能力

通過觀察鋼節(jié)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變曲線圖可得出，彈性極限應(yīng)變方面，鋼節(jié)點(diǎn)（≈0.0025）比材料（≈0.0019）要高；節(jié)點(diǎn)屈服應(yīng)變方面，鋼節(jié)點(diǎn) （≈0.0060）比材料（≈0.0031）要高。由此可見，鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)變性能安全控制指標(biāo)不可以選取材料的屈服應(yīng)變。對(duì)鋼節(jié)點(diǎn)而言，無論是由彈性極限應(yīng)變（位移）轉(zhuǎn)變成屈服極限應(yīng)變（位移）的過程，還是轉(zhuǎn)變?yōu)樽詈笃茐臉O限應(yīng)變（位移）的過程，塑性都比較強(qiáng)。然而當(dāng)鋼節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為破壞極限時(shí)，徑向變形極大，這說明主弦桿早已出現(xiàn)較大損害，所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)鋼節(jié)點(diǎn)承載力時(shí)，一定要嚴(yán)格把控破壞荷載影響下節(jié)點(diǎn)變形最大值。

3 結(jié)語

隨著大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式、計(jì)算方法的不斷改革更新，其設(shè)計(jì)理念也應(yīng)當(dāng)跟隨時(shí)代變化而變化，無論是整體還是局部，都應(yīng)當(dāng)基于性能開展設(shè)計(jì)工作。同時(shí)也要時(shí)刻關(guān)注鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)及核心要點(diǎn)，充分學(xué)習(xí)效果極佳的大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑工程的設(shè)計(jì)方案經(jīng)驗(yàn)，并全面落實(shí)性能化設(shè)計(jì)思想，增強(qiáng)大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程的安全性與穩(wěn)定性。