鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究進展與展望

王 礫

中昊(大連)化工研究設(shè)計院有限公司大亞灣分公司

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究進展與展望

王 礫

中昊(大連)化工研究設(shè)計院有限公司大亞灣分公司

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計直接關(guān)系到建筑工程的主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計師既要對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用過程中的相關(guān)幾何要素進行明確的掌握，又要注重在設(shè)計過程中，對其進行技術(shù)把控。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計難度比較大，設(shè)計師在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中既要遵循相關(guān)圖紙相關(guān)要求，以設(shè)計圖為參考，又要結(jié)合建筑工程的具體設(shè)計要求和施工情況，對其進行立體性的構(gòu)思，最大程度上提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，并從根本上保障建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中鋼結(jié)構(gòu)的整體性能。

鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計；方法

鋼結(jié)構(gòu)在建筑施工的進程中占據(jù)著較為重要的主導(dǎo)作用，其結(jié)構(gòu)本身具備一定的優(yōu)勢，比如其本身的強度較大、自重較輕，所以在土木建筑工程中對鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用都取得了相當不錯的收益。現(xiàn)階段，隨著相關(guān)制度的進一步完善以及重點建筑項目的開發(fā)，鋼結(jié)構(gòu)獲得了進一步的發(fā)展。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法中的常見問題

1.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算和構(gòu)建承載力不一致

鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計過程中，通常會忽略幾何非線性和材料非線性的影響，在建構(gòu)使用過程中，構(gòu)件的極限承載力和非線性彈塑性狀態(tài)兩者不會同時到達極限，但是在設(shè)計中會出現(xiàn)按結(jié)構(gòu)彈性狀態(tài)進行取值的情況。當按結(jié)構(gòu)彈性狀態(tài)計算時，每個部件都不會達到極限承載力，這就造成了整體結(jié)構(gòu)和單個結(jié)構(gòu)非彈性設(shè)計部穩(wěn)合的現(xiàn)象發(fā)生。

1.2 結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)和實際失穩(wěn)不一致

現(xiàn)階段的設(shè)計規(guī)范中對結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的計算規(guī)定在同一層結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)對稱失穩(wěn)，在設(shè)計中會認定結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性需要將構(gòu)件設(shè)計的長度進行考慮，在這一計算過程中會出現(xiàn)計算結(jié)果和實際構(gòu)件的彈性失穩(wěn)形式的誤差，也就是說，在計算結(jié)構(gòu)長度時不能真實的反省出結(jié)構(gòu)和構(gòu)件之間的關(guān)系。

2 鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法分析

2.1 容許應(yīng)力法

ASD 的設(shè)計原理是，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算應(yīng)力不能超過結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范給定的容許應(yīng)力。設(shè)計人員要借助一階彈性理論，結(jié)合標準荷載相關(guān)規(guī)范對結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力進行計算；容許應(yīng)力的確定是依托于經(jīng)驗范圍內(nèi)的安全系數(shù)并去除材料的屈服應(yīng)力和極限應(yīng)力進行確定的。ASD 設(shè)計公式為：

Rn是結(jié)構(gòu)材料的屈服應(yīng)力或者極限應(yīng)力標準值，K為安全系數(shù)，Sn則是某一工況背景下結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過荷載標準值得出的計算應(yīng)力，n和i分別表示工況數(shù)和某一工況背景下的荷載。

ASD 存在不足。首先，不注重對塑性材料在塑性階段的承載潛力進行考慮，使其實際安全水平偏高。其次，不注重對幾何非線性的影響因素進行合理考慮。第三，安全系數(shù)過于單一，無法對抗力和荷載變異的獨立性進行反映，使其在不同類型荷載背景下的安全度也存在差異。

2.2 極限狀態(tài)法

設(shè)計人員可以應(yīng)用抗力和荷載分項系數(shù)對傳統(tǒng)單一的安全系數(shù)進行替代，并成為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計主流。受制于荷載因素，在使用周期范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)很可能達到承載力能力極限或者正常使用極限狀態(tài)。構(gòu)件斷裂、失穩(wěn)、塑性變形等都會對鋼結(jié)構(gòu)造成破壞。極限狀態(tài)背景下的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，要避免在使用周期內(nèi)，結(jié)構(gòu)進入極限狀態(tài)。極限狀態(tài)法的設(shè)計公式為：

結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力和荷載效應(yīng)標準值分別用Rn和Sn表示，抗力和荷載分項系數(shù)分別由φ和ri表示。設(shè)計人員應(yīng)用概率分析法和可靠度校核方法得到相關(guān)數(shù)據(jù)，其不同于經(jīng)驗背景下的安全系數(shù)。該設(shè)計方法能夠?qū)D和PSD設(shè)計過程中的不足進行彌補。首先，其應(yīng)用不同的荷載分項系數(shù)和極限狀態(tài)方程，克服了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的相關(guān)缺陷，提高了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計水平。

2.3 體系可靠度設(shè)計

常用的鋼結(jié)構(gòu)體系可靠度計算有響應(yīng)面法、失效模式法、隨機有限元法、MonteCarlo法，下面我針對這幾種常用方法進行說明：

1.響應(yīng)面法；在設(shè)計中會利用一階和二階相似值代替結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)，并將曲率變化看作最大的極限狀態(tài)。這樣會導(dǎo)致極大誤差的產(chǎn)生，但是在正常使用極限狀態(tài)下的可靠程度計算還是依賴于響應(yīng)面法。

2.失效模式法：失效模式法不能進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的精確計算，因為它不能和結(jié)構(gòu)非線性分析進行有效的結(jié)合，所以它的局限性較大。

3.隨機有限元法：它屬于一種新型的計算方法，一般在計算結(jié)構(gòu)功能時可以利用相關(guān)的向量導(dǎo)數(shù)。其優(yōu)點在于計算速度快，步驟簡便。其缺點是在計算過程中需要要嚴密的理論推導(dǎo)性。

4. MonteCarl法：這種方法雖然計算簡便，但是需要大量的計算數(shù)據(jù)進行支持，常被用作可靠度計算方法的檢驗。現(xiàn)階段的設(shè)計中已經(jīng)使用了降低抽樣方差技巧，所以MonteCarlo法在未來結(jié)構(gòu)設(shè)計中會占據(jù)主導(dǎo)地位。

3 二階分析方法簡介

(1)送審稿提供的一階分析設(shè)計方法和二階分析設(shè)計方法(包括只考慮P-Δ效應(yīng)、同時考慮P-Δ效應(yīng)和P-δ效應(yīng)的二階彈性分析設(shè)計方法及直接設(shè)計方法)在構(gòu)件承載力設(shè)計結(jié)果方面基本一致。(2)側(cè)移方面，二階分析結(jié)果比一階分析結(jié)果大，特別是對二階效應(yīng)比較明顯的結(jié)構(gòu)(θi≥0.1)，容易出現(xiàn)一階分析結(jié)果滿足規(guī)范要求、而二階分析結(jié)果不滿足規(guī)范要求的情況，建議基于結(jié)構(gòu)可靠度的要求，對一階和二階分析的側(cè)移限值分別作出規(guī)定。(3)根據(jù)送審稿提供的兩種整體缺陷計算方法得到的分析結(jié)果基本相同，且兩種方法均有較好的可操作性，便于在實際工程中應(yīng)用。(4)二階彈塑性分析設(shè)計能更真實、更直觀地反映結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，能夠進行二階彈塑性分析設(shè)計的軟件會越來越多，高等分析設(shè)計將是鋼結(jié)構(gòu)分析設(shè)計未來的發(fā)展趨勢。

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)在進行設(shè)計的過程中，計算機的應(yīng)用已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析的理論不斷深入為進行集穩(wěn)定理論、塑性理論和可靠性理論的鋼結(jié)構(gòu)高等分析提供了理論基礎(chǔ)和研究條件。雖然我國的高等分析還處于初始階段，但是通過研究技術(shù)的不斷深入，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計將會形成以整體結(jié)構(gòu)極限和承載力極限設(shè)計相互集成的設(shè)計方法，并且逐漸取代以基礎(chǔ)構(gòu)件承載力極限狀態(tài)的設(shè)計方法，使鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法趨于成熟。

[1] 李芹子. 公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁抗疲勞設(shè)計方法研究[D]. 長安大學，2014.

[2] 鄭廷銀. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的研究進展與展望[J]. 南京工業(yè)大學學報(自然科學版)，2003，05：101-106.