基于性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探索

黎燦坤

（廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510000）

0 前言

近幾年，以制造業(yè)為代表的第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在國(guó)民收入中比重持續(xù)攀升，奠定了鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)持續(xù)進(jìn)步的基礎(chǔ)，我國(guó)內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)值呈現(xiàn)出明顯的加速態(tài)勢(shì)。隨著鋼鐵工業(yè)的跨越式發(fā)展，大跨度鋼結(jié)構(gòu)占鋼結(jié)構(gòu)總比例日益提升，以性能為根據(jù)的跨度超60m的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)劃表達(dá)受到越來(lái)越大的關(guān)注。基于此，為了保證大跨度鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)值的持續(xù)升級(jí)，探索以性能為根據(jù)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就具有非常重要的意義。

1 我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

從2016 年開(kāi)始，《鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級(jí)規(guī)劃（2016—2020 年）》等出臺(tái)，為國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)值的提升提供支持。僅在2018 年，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)量就達(dá)到6800 萬(wàn)t 以上，產(chǎn)值在6800 億元以上，同比2016 年增長(zhǎng)30%以上。從2019 年開(kāi)始，政府部門(mén)就提出鋼結(jié)構(gòu)試點(diǎn)住宅建設(shè)疊加多省試點(diǎn)，有望探索出一套可以推廣、復(fù)制的鋼結(jié)構(gòu)住宅建設(shè)模式。但是，相比西方發(fā)達(dá)國(guó)家，國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)滲透率仍然較低，主要集中于民用建筑、超高層商業(yè)樓宇、工業(yè)建筑等公共建筑領(lǐng)域，未來(lái)仍然具有較大的提升空間[1]。

2 設(shè)計(jì)思路

跨度超60m 的鋼結(jié)構(gòu)具有自體重量處于較低水平、損耗材料量少、加工制作簡(jiǎn)單、應(yīng)力計(jì)算可靠、抗震性能強(qiáng)、材質(zhì)均勻等優(yōu)良特點(diǎn)。為了充分發(fā)揮上述優(yōu)勢(shì)，首先，采用基于結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)方法，選擇結(jié)構(gòu)與材料非線性計(jì)算方式，深入結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定承載性能進(jìn)行深層次研究。并利用結(jié)構(gòu)超大位置移動(dòng)彈性——塑性全過(guò)程優(yōu)先原則整體劃分研究的方式，確定究極載荷條件下大跨度鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)作狀態(tài)。

其次，進(jìn)行預(yù)起拱、預(yù)應(yīng)力施加下的大跨度鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力性能化分析。并考慮剛度處于較小水平的跨度超60m 的鋼結(jié)構(gòu)情況，確定基于力學(xué)層面的跨度超60m 的鋼結(jié)構(gòu)變形能力規(guī)劃表達(dá)的闡釋過(guò)程。

最后，結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，回顧與鋼結(jié)構(gòu)雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)有關(guān)的兩端簡(jiǎn)支壓桿的臨界荷載，進(jìn)行有搖擺柱的大跨度鋼結(jié)構(gòu)件荷載設(shè)計(jì)，獲得提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)件支撐架剛度富余的方法。

3 設(shè)計(jì)分析

3.1 計(jì)算結(jié)構(gòu)與材料非線性計(jì)算

對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)而言，其在達(dá)到屈服荷載之前存在一個(gè)較大水平的形狀改變，具體表現(xiàn)為程度較大的幾何非線性改變，以往以線性假定、平面假定為根據(jù)的整體分解研究方式就無(wú)法滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，必須引入材料幾何非線性計(jì)算方式。即針對(duì)結(jié)構(gòu)趨近于自身所可承擔(dān)究極限度荷載情況下結(jié)構(gòu)性質(zhì)由線彈性轉(zhuǎn)化為塑性（結(jié)構(gòu)屈服階段）所表現(xiàn)出的非線性性質(zhì)，結(jié)合幾何非線性與前者相互耦合的雙重非線性，借助ANSYS 通用有限元軟件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的超大位置移動(dòng)彈性——塑性全過(guò)程整體劃分研究，順利獲取究極載荷條件下大跨度鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)作狀態(tài)。

以廣東某桁架拱+面外支撐結(jié)構(gòu)為例，該結(jié)構(gòu)拋物線拱由三段圓弧擬合獲得，主體橫向、縱向分別采用四管桁架拱、平面桁架聯(lián)系。據(jù)此，可以構(gòu)建長(zhǎng)度×跨度×矢高為420m×182m×136m 的模型，在ANSYS 通用有限元軟件中開(kāi)展力學(xué)分析。通過(guò)分析得出荷載臨界系數(shù)可達(dá)到10.5，桁架拱角部出現(xiàn)平面外屈曲，而在恒定荷載、半跨活荷載情況下，荷載臨界系數(shù)達(dá)到13.2 時(shí)桁架拱角部出現(xiàn)同樣的情況，表明結(jié)構(gòu)線性穩(wěn)定性、安全性、可靠性良好。同理對(duì)材料進(jìn)行分析，可以得出材料穩(wěn)定性、安全性良好的結(jié)論。

3.2 變形能力的設(shè)計(jì)

預(yù)起拱、預(yù)應(yīng)力施加對(duì)于跨度超60m 的鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定承載力影響較大，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)體系的差異，其受影響的程度也存在一定差別。對(duì)于剛度處于較小水平的大跨度鋼結(jié)構(gòu)而言，一旦構(gòu)件強(qiáng)度與規(guī)范要求相符，則經(jīng)預(yù)應(yīng)力施加措施、結(jié)構(gòu)預(yù)起拱措施的實(shí)施，可以達(dá)到現(xiàn)行規(guī)定的結(jié)構(gòu)彈性小變形性能指標(biāo)要求。其中預(yù)應(yīng)力施加可以有效提升跨度超60m 的鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定承載力（除大懸挑結(jié)構(gòu)體系外）并促使結(jié)構(gòu)件彈塑性大變形值大幅度下降，保證體系彈性、變形量可靠、穩(wěn)定。但是，由于這一方案實(shí)施過(guò)程中結(jié)構(gòu)體系破壞變形值會(huì)出現(xiàn)較大的下降幅度，一旦預(yù)應(yīng)力度超標(biāo)，就會(huì)導(dǎo)致大跨度鋼結(jié)構(gòu)件荷載與位置移動(dòng)的相對(duì)變化曲線出現(xiàn)無(wú)法顯著觀察的屈服臺(tái)階脆性損壞。為避免上述問(wèn)題出現(xiàn)，在設(shè)計(jì)階段，需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力度、預(yù)應(yīng)力索系布置的全過(guò)程優(yōu)化，并進(jìn)行預(yù)應(yīng)力構(gòu)件安全系數(shù)的添加，保證大跨度鋼結(jié)構(gòu)件體系形狀變化較大情況下預(yù)應(yīng)力構(gòu)件仍然具有完全彈性；而預(yù)起拱對(duì)于存在較大差異的跨度超60m 的鋼結(jié)構(gòu)體系的彈塑性形態(tài)大體量演變值降低幅度處于較小的水平，無(wú)法有效提升對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)體系彈塑性大變形能力。這種情況下，在大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范的預(yù)起拱方法，僅可用于解決彈性小變形能力要求，無(wú)法保證跨度超60m 的鋼結(jié)構(gòu)體系的彈塑性形態(tài)演變效果。

3.3 荷載設(shè)計(jì)

為保證跨度超60m 的鋼結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性，可結(jié)合現(xiàn)有《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 50017—2017）》進(jìn)行計(jì)算。具體設(shè)計(jì)前需要回顧與鋼結(jié)構(gòu)雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)有關(guān)的兩端簡(jiǎn)支壓桿的臨界荷載，并利用歐拉公式進(jìn)行計(jì)算，公式如式（1）所示：

如式（1）所示，EI、H 分別為壓桿截面的抗彎剛度、壓桿長(zhǎng)度，表明壓桿截面的剛度直接決定了壓桿件的承載力，相鄰構(gòu)件的剛度也可以看成自身的承載力。在穩(wěn)定極限狀態(tài)，因壓桿截面具有抗彎剛度其仍然可以保證完全彈性，這一狀態(tài)就可看作壓桿已達(dá)到極限荷載。此時(shí)，若大跨度鋼結(jié)構(gòu)框架存在搖擺柱（如圖1所示），則在大跨度鋼結(jié)構(gòu)框架柱的雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度計(jì)算時(shí)，就需要首先計(jì)算放大系數(shù)η，計(jì)算公式如式（2）所示：

圖1 鋼結(jié)構(gòu)搖擺柱

如式（2）所示，∑Ni、∑Pj分別為全部搖擺柱上的軸力之和、框架柱上的軸力，采取放大處理后的核算長(zhǎng)度，可以設(shè)計(jì)出較之無(wú)搖擺柱階段更大的鋼結(jié)構(gòu)截面，保證剛度富余，為搖擺柱抵御壓力載荷提供支持。而對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)懸臂柱子頂部與鄰近的搖擺柱相連接時(shí)，搖擺柱的臨界荷載Ncr就可以用式（3）進(jìn)行計(jì)算：

由式（3）可知，鋼結(jié)構(gòu)件自身剛度、相鄰構(gòu)件剛度均可以成就穩(wěn)定荷載，此時(shí)，在鋼結(jié)構(gòu)件截面強(qiáng)度足夠而自身剛度無(wú)法抵抗自身壓力載荷時(shí)，就可以通過(guò)提升相鄰構(gòu)件的剛度抵抗自身壓力荷載。

以廣東省某項(xiàng)目大跨度鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)為例，假定其本身就具有側(cè)移失穩(wěn)，且計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)μs大于1，承載力為600kN，但由于設(shè)計(jì)階段希望框架側(cè)移失穩(wěn)計(jì)算長(zhǎng)度為1，承載力就演變?yōu)?00kN，增加的300kN 均由鋼結(jié)構(gòu)支撐架的抗側(cè)剛度提供。此時(shí)，若采取常規(guī)大跨度鋼結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)方法，就無(wú)法保證鋼結(jié)構(gòu)支撐架荷載順利進(jìn)入極限狀態(tài)[2]。因此，為保證鋼結(jié)構(gòu)支撐架剛度富余，可以結(jié)合GB 50017—2017，進(jìn)行實(shí)際演練。即以應(yīng)力比的方式，進(jìn)行荷載控制。具體公式如式（4）所示：

式中：ρ-應(yīng)力；θ-二階效應(yīng)系數(shù)。

4 設(shè)計(jì)目的

對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)件而言，現(xiàn)有設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范與規(guī)程并無(wú)法完全覆蓋，也無(wú)法沿用以往以線性假定、平面假定為根據(jù)的已有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，需要采用以性能為根據(jù)的設(shè)計(jì)手段。而以性能為根據(jù)的設(shè)計(jì)目的設(shè)定對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)、安全等指標(biāo)具有直接的影響，決定了設(shè)計(jì)成功或失敗，需要詳細(xì)劃定。總體上而言，以性能為根據(jù)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目的為整體穩(wěn)定性良好，無(wú)幾何非線性大變形出現(xiàn)。同時(shí)大跨度鋼結(jié)構(gòu)整體抗風(fēng)性能處于較為優(yōu)良的水平，結(jié)構(gòu)在中等地震、大型地震情況下仍然可以保持“不倒塌”“可修理維護(hù)”的狀態(tài)，且結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的防連續(xù)倒塌性能。從局部來(lái)看，以性能為根據(jù)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目的與施工階段安全、質(zhì)量、造價(jià)等要求相符合。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在高強(qiáng)度材料應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大、新的鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)陸續(xù)投入應(yīng)用的進(jìn)程中，鋼結(jié)構(gòu)建筑朝著輕量化、大跨度方向發(fā)展。在大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，性能設(shè)計(jì)是應(yīng)用較為有效的方式之一，可以利用高效率結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)算的方式，預(yù)先估測(cè)荷載作用變化情況下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，制定詳細(xì)的優(yōu)化方案，保證結(jié)構(gòu)性能與業(yè)主以及規(guī)范要求的性能指標(biāo)相符合。在未來(lái)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)式合計(jì)過(guò)程中，性能設(shè)計(jì)控制指標(biāo)將更加完善、性能設(shè)計(jì)手段將更加先進(jìn)、性能設(shè)計(jì)理論將更加豐富，為大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的高效率開(kāi)展提供保障。