基于性能的大跨度鋼結構設計路徑探究

郭 春

（山西省機電設計研究院有限公司，山西 太原 030009）

在現代社會經濟迅猛發展的背景下，人們對大跨度鋼結構的需求量也在不斷上升。決定大跨度鋼結構質量的重要因素之一就是設計環節，在對大跨度鋼結構進行設計時應當格外注意結構強度設計、結構體系、變形設計、構件穩定性設計、節點等方面。但是在實際設計過程中也存在些許問題缺陷，比如大跨度鋼結構的跨度尺寸不統一、不規范，這對設計工作帶來了嚴峻的挑戰，因此，設計工程師應當根據項目實際情況對大跨度鋼結構進行精準計算，并制定出科學合理的設計方案，為設計質量奠定堅實基礎。

1 基于性能的大跨度鋼結構設計概述

1.1 性能設計

縱觀全球結構設計的歷史演變與發展，日后結構設計的方向是性能設計，也就是通過一系列手段確定結構的性能。性能設計的基本理論就是將鋼結構面對負載時的現象進行精準計算、全面分析、合理預測，最后對其性能能否充分滿足相關標準需求予以有效評估。

1.2 計算分析

社會的不斷發展帶動了科學技術的進步，各種新型技術與新型材料層出不窮，尤其是鋼結構方面，不僅跨度到達了新的范圍，鋼結構的自重也得到了減輕。當鋼結構變形程度即將為屈服荷載之前，其會顯示為非線性狀態，由此可得，應用過去的計算方法是無法準確核算出以上非線性承載力的［1］。而當鋼結構到達屈服承載力時，鋼材也會慢慢轉變為非線性狀態，即從彈性變成塑性。因此，計算材料與結構非線性的方式為最佳。

1.3 延性設計

延性即結構或材料轉變為屈服極限荷載之后，其變形性能未得到有效減小。如果某個構件或者結構具備較強的延性，那么通常在后續環節出現變形的概率比較大，同時它們的承載力也會到達極限，此時它們只能承受一部分負荷。并且變形程度與延性有直接關系，若是變形程度偏大，那么說明延性遭遇了較大的損害。當前，在對大跨度鋼結構進行設計時，務必要遵循控制延性性能的基本原則，即在設計延性性能時，應當對體系核算予以全面考慮，獲得曲線與相關參數之后，再對安全設計性能指標予以嚴格控制。

2 基于性能的大跨度鋼結構設計要點分析

2.1 變形能力設計

在對大跨度鋼結構進行設計時，鋼結構體系應當充分滿足變形方面、結構承載性能以及穩定性能方面的基本需求。尤其是鋼結構體系中的構件強度，必須要跟相關標準強度相符，然后再合理掌控鋼材結構彈性變形力度，可有效提升大跨度鋼結構的設計水平。除此之外，在實際設計過程中，應當對結構施加一定預應力，并預先起拱，起拱大小要根據實際情況確定，該行徑有助于優化改良鋼結構的外觀，同時對后期使用環節也有很大幫助。而施加預應力措施，則能夠增強鋼結構的剛度和承載性能，抑制結構彈塑性變形問題的發生，并且也能夠顯著提升鋼結構體系的彈塑性變形能力。但是需要注意的是，對結構施加預應力時一定要掌控好力度，以便能夠盡數消除結構變形、受損對其各項性能所產生的不利影響。

2.2 荷載設計

荷載包含永久荷載、可變荷載以及偶然荷載三大類，對大跨度鋼結構而言，永久荷載往往是指屋面上鋪設建材自重和屋蓋結構自重［2］。其中屋面上鋪設建材種類較多，比如：屋面板、屋面保溫結構、防水層等；而屋蓋結構主要是指檁條結構，因此在計算屋蓋結構自重時，一定要計算檁條的重量，工作人員可應用計算機設備進行計算。此外，若是屋蓋結構中具備吊頂、管道等設備，也要予以計算。同時，大跨度鋼結構極易因實際施工環節中的各種因素而受到干擾，所以，可變荷載會產生極大的差異化，具體有以下幾種：

1）屋面活荷載。在計算該荷載時，應當以屋面水平方向投影區域面積為主要參考依據。一般情況下，大跨度鋼結構屋面活荷載是0.5kN/m2，倘若在實際施工環節或者是維修護理階段發現活荷載偏大，那么應當對其實施及時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構屋面的外形輪廓、朝向等要素來決定的。不出意外的情況下，屋面雪荷載絕對會在雪壓最大值之下。如果該工程中的屋面十分陡峭，有一定坡度，那么雪會順著坡度而向地面上滑落，再加之風也會吹走一部分雪，同時太陽的出現會讓周圍環境溫度上升，屋面上的雪也會逐漸融化；如果該工程中是雙坡屋面，那么相關工作人員應當格外注意該屋面的背風坡或者曲面屋頂位置的積雪，該情況下應當重新核算雪荷載。

3）風荷載。一般來說，大跨度鋼結構建筑物會對周遭環境中的空氣流產生一定影響，比如會對空氣的順利正常流動予以阻擋，此時建筑物表層會產生大小強弱各不相同的法相壓力與吸力，這些力正是風荷載。風荷載所出現的主要場所就是建筑物表層，并有兩大作用，分別是：①靜力作用。該作用主要針對平均風與穩定風，在對該類型風進行計算時，應當選取靜力學方式；②動力作用。一般指建筑物受到的脈動風。要想計算脈動風對結構所造成的作用力，可應用動力學中的隨機振動機理。

除此之外，偶然荷載在大跨度鋼結構設計中也占據著重要地位，比如地震等突發性、偶然性的自然災害都屬于偶然荷載，所以在對大跨度鋼結構予以設計時，一定要全面考慮偶然荷載對建筑物承載力的影響。而地震屬于一種動力作用，地震的發生會讓整個地面產生振動，從而讓建筑物出現慣性作用，該作用力強弱主要是由結構自身振動性能與地面運動特征所決定的。而地震作用則是跟建筑物重量息息相關，并且兩者關系呈正比。在計算方法上，振型分解反應譜法比較適合用于大跨度鋼結構中的地震作用計算中；簡化算法則適合應用于部分規則的網架、網殼結構中的地震作用計算中；時程分析法則多數應用在極為關鍵或者體型繁復的空間結構地震作用計算中。

2.3 鋼節點性能設計

鋼結構節點設計質量對鋼結構安全性能有著直接影響。目前，我國在大跨度鋼結構設計方面存在較大問題就是鋼節點，且大跨度鋼結構工程中所發生的安全事故有很多都是因為鋼節點所引發的。查閱大量資料后發現，我國與鋼節點相關的規章條例中僅指出了節點的連接設計，并未針對鋼節點綜合設計予以清晰規定，這對鋼節點設計的安全性有很大負面影響。同時，在具體施工環節，建設周期、工程成本對鋼節點的試驗有一定制約性，這對鋼結構的安全穩定無法得到有力保障。

2.3.1 節點設計承載力

通過對鋼節點的荷載-應變整個流程的計算分析以及鋼節點真實檢測試驗結果均說明，在大多數區域材料應變發展到屈服應變之前，鋼節點會產生非線性增長，這充分表明：在鋼管構件應力偏低的情況下，節點部分位置會呈現塑性重分布態勢。與此同時，當節點部分位置從塑性轉變為塑性區時，荷載也會隨之極速增長。所以，將建材屈服應力當做鋼結構節點承載力安全控制指標是不合理的，主要是因為節點設計承載力若是根據其彈性荷載極限來決定的話不太精準。對此，我們建議：節點屈服荷載的概念應當是節點塑性區在完全發展之后，且荷載-應變（位移）整個環節曲線圖發生顯著拐點時所相對應的荷載值［3］。并非節點部分位置發生塑性時的荷載。而節點屈服應變與屈服位移則是節點屈服荷載所對應的節點應變與位移。雖然節點在彈性極限狀態轉變為屈服狀態的過程中，流塑變動較大，這導致無法準確肯定詳細屈服點和屈服荷載數值，但是依然能夠將節點屈服荷載當成節點設計承載力。另外，節點在遭到破壞并達到極限時，其破壞荷載與定值十分接近，所以，在設計鋼節點承載力時，將節點受到破壞時所承受的荷載當做基礎，并預留一定安全系數對節點設計承載力予以確定。

2.3.2 節點變形能力

通過觀察鋼節點的荷載-應變曲線圖可得出，彈性極限應變方面，鋼節點（≈0.0025）比材料（≈0.0019）要高；節點屈服應變方面，鋼節點 （≈0.0060）比材料（≈0.0031）要高。由此可見，鋼節點應變性能安全控制指標不可以選取材料的屈服應變。對鋼節點而言，無論是由彈性極限應變（位移）轉變成屈服極限應變（位移）的過程，還是轉變為最后破壞極限應變（位移）的過程，塑性都比較強。然而當鋼節點狀態為破壞極限時，徑向變形極大，這說明主弦桿早已出現較大損害，所以，在實際設計鋼節點承載力時，一定要嚴格把控破壞荷載影響下節點變形最大值。

3 結語

隨著大跨度鋼結構設計方式、計算方法的不斷改革更新，其設計理念也應當跟隨時代變化而變化，無論是整體還是局部，都應當基于性能開展設計工作。同時也要時刻關注鋼結構的發展趨勢及核心要點，充分學習效果極佳的大跨度鋼結構建筑工程的設計方案經驗，并全面落實性能化設計思想，增強大跨度鋼結構工程的安全性與穩定性。