基于性能的大跨度鋼結構設計研究

段娜娜

摘? ? 要：隨著現(xiàn)代超大跨度空間鋼結構設計的技術不斷進步，在設計過程中不斷采用科學合理的計算方法，充分借用計算機技術，滿足鋼結構的設計發(fā)展要求。工程設計人員要不斷借鑒國內外先進的設計經(jīng)驗，創(chuàng)新設計思路，優(yōu)化結構的整體設計，保障超大跨度空間鋼結構設計的安全性和合理性。

關鍵詞：性能;大跨度;鋼結構;設計

1? 前言

超大跨度空間鋼結構設計在設計思路以及設計形式上與傳統(tǒng)形式并無明顯的差異性，大跨度鋼結構主要注重設計中的荷載和可能產生的變形問題。這種結構對于整體材料要求也較高，節(jié)點所使用的材料對于整體結構的承載力性能和結構變形能力都有較為深遠的影響。整體結構需要考慮系統(tǒng)受力，將空間結構作為一個整體去分析受力狀況，以滿足設計要求以及應用效果。從目前國內外關于這種結構的研究上來看，主要研究系統(tǒng)的整體性能，尋找較為合理的工程學設計思路，抓住系統(tǒng)結構的整體性能計算核心方法，以完成既有的結構設計為主要目標，對整體鋼結構進行嚴格的結構分析和計算，從模型中判斷在不同的荷載情況下不同的鋼結構的響應，從而能夠判斷超大跨度空間鋼結構的整體性能，對于總體建筑設計進行評判。

2? 鋼結構基于性能設計的基本概念與設計思路

2.1? 性能設計

自結構設計方法出現(xiàn)以后，隨著時間的不斷推移，傳統(tǒng)結構設計方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段的要求，而基于性能的結構設計正在成為未來結構設計的重要發(fā)展方向。所謂性能化設計，指的是使用工程方法，讓鋼結構性能更加趨于既定要求。與此同時，在基于性能的設計理論中，設計人員可通過分析計算、預測結構等方法，驗證所設計的鋼結構性能是否滿足工程使用方的要求，確保鋼結構性能可以貼合工程使用方的需求。

2.2? 基于延性性能的設計思路

通常來說，如果構件或者結構存在較好的延性能力，其后期變形的程度也會越大，即便結構或者構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間。因此，在設計鋼結構時，設計人員做好延性性能控制是很有必要的。在設計大跨度鋼結構過程中，延性性能設計也成為了大跨度鋼結構設計的重要思路。在延性設計時，需要對以下參數(shù)予以重點考慮，即：屈服荷載、破壞荷載、屈服變形以及破壞變形。此外，為了保證延性設計更加合理，設計人員首先要想辦法計算出上述延性性能參數(shù)，并對屈服荷載值、屈服變形指標加以分析，確保大跨度鋼結構可以得到可靠、安全的使用。另外，在延性設計時，設計人員要計算出準確的承載力比例系數(shù)，確保大跨度鋼結構在出現(xiàn)結構破壞前可以儲備一定大小的承載力。最后，延性設計過程中，設計人員要對變形比例系數(shù)予以準確、合理的確定，以此來確保大跨度鋼結構在出現(xiàn)結構破壞前，結構自身可以有一定的變形能力儲備。總之，鋼結構基于延性的性能設計，設計人員要對體系幾何非線性、材料非線性的計算分析加以考慮，從而獲得鋼結構屈服荷載、破壞荷載等性能參數(shù)，并以此為基礎提出符合國家標準要求的安全設計性能控制指標。

3? 設計中的重難點分析

3.1? 變形設計

系統(tǒng)結構在設計過程中，由于鋼結構系統(tǒng)的變形對荷載的影響，要使得其變形性能滿足設計需要，同時鋼結構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)構件除了要從整體上進行分析以外，還要學會拆分，每一個構件的受力都要符合標準，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，也可對系統(tǒng)結構施加預應力的方法，使得材料滿足彈性形變。對鋼結構施加的預應力能夠有效提升超大跨度空間鋼結構的整體剛度，使其結構承載力滿足性能要求，要有效降低整個鋼結構體系的彈性形變和塑性形變，同時能夠提升整體鋼結構的抗變形能力。對于整體鋼結構實施預應力能夠進一步防止超大跨度空間鋼結構出現(xiàn)破壞性的形變。

3.2? 荷載設計

對于永久荷載來說，在超大跨度空間鋼結構設計過程中，永久荷載主要包括屋面以及屋蓋的質量。在屋面整體結構中，上部的覆蓋物也要計算在內，主要包括屋面板以及保溫板等。系統(tǒng)結構的荷載可以通過計算軟件進行合成模擬，以找出最佳的荷載計算量以及最大的荷載承受能力。屋蓋結構有時包括一些附屬性的設施，包括附屬的管道和設備等，都要計算在內。

上面主要闡述系統(tǒng)結構的永久荷載，另外一部分荷載來自于系統(tǒng)的活荷載，系統(tǒng)結構不同，所承擔的活荷載也有很大的差異性，經(jīng)過研究，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，一般在計算中都會近似將其視作分布較為均勻的活荷載，以簡化計算過程。一般采用0.5kN/m2，如果在施工過程中遇到較大幅度的荷載，需要采用科學的計算方法。②雪荷載。系統(tǒng)結構的整體形狀以及結構的朝向會影響雪荷載的大小。在一般情況下，鋼結構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，應該重新計算結構的雪荷載。③風荷載，對于超大跨度空間鋼結構設計，由于體積比較大，因此會阻礙空氣的流動，空氣在建筑物表面流動過程中會產生一定的吸引力。風荷載一般施加于建筑物的表面中，并且表現(xiàn)兩種形式：a.動力;b.靜力。穩(wěn)定的風荷載一般估計為靜力，其余被歸結為動力部分。平均風荷載可以利用靜力學方法進行計算，其余可以借助于動力學方法進行模擬運算。④偶然荷載。偶然荷載主要考慮系統(tǒng)結構在運營過程中在偶然條件下所面臨的荷載，比如說地震過程中產生的荷載。如果系統(tǒng)鋼結構在地震等強作用力條件下，會對整個結構產生較大的慣性作用力。這種慣性作用力與系統(tǒng)結構自身的特性有著比較大聯(lián)系，計算規(guī)則也與系統(tǒng)自身的特性有關。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)結構自身重量越大，受到的慣性作用力也就越大。這種系統(tǒng)產生的慣性作用力可以利用一些有限元軟件進行模擬，以測試系統(tǒng)的真實抗震性能，形成網(wǎng)架結構，以簡化整個系統(tǒng)的計算規(guī)則。

4? 結束語

為了保證鋼結構工程的使用質量，特別是大跨度鋼結構工程的使用質量，設計人員除了要努力提升自身綜合素質外，還應切實的加大對于基于性能的大跨度鋼結構設計的研究力度，努力提高大跨度鋼結構工程的設計質量，確保大跨度鋼結構工程的性能可以符合業(yè)主的要求，保證大跨度鋼結構的使用始終處于最佳性能，為進一步加快我國鋼結構工程的發(fā)展增添新的動能，對全面提升我國鋼結構工程的設計水平有著重要意義。

參考文獻：

[1] 劉學春，林娜，騰偉等.大跨度復雜異形鋼框架結構設計與承載力性能研究[J].鋼結構，2015（5）：11～16.

[2] 任榮.淺析大跨度建筑鋼結構設計[J].中國新技術新產品，2015（9）：133.