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基于性能的大跨度钢结构设计要点探讨

发表时间：2021/6/16 来源：《建筑科技》2021年3月下作者：樊卫强

[导读] 大跨度钢结构作为工程设计领域中的重要组成部分，其设计的水平直接关系着工程设计领域的发展和进步。因此，对于大跨度钢结构设计的研究具有十分重要的意义。本文主要阐述了钢结构基于性能设计的概念，并对大跨度钢结构的设计要点进行了一定的研究。

河北省廊坊市恒运晟建筑工程有限公司樊卫强单位邮编：065000

摘要：大跨度钢结构作为工程设计领域中的重要组成部分，其设计的水平直接关系着工程设计领域的发展和进步。因此，对于大跨度钢结构设计的研究具有十分重要的意义。本文主要阐述了钢结构基于性能设计的概念，并对大跨度钢结构的设计要点进行了一定的研究。
关键词：大跨度钢结构；性能；结构设计要点
        1钢结构基于性能设计的基本概念与设计思路
        1.1性能设计
        随着时间的不断推移，传统结构设计方法已经无法满足现阶段的要求，而基于性能的结构设计正在成为未来结构设计的重要发展方向。所谓性能化设计，指的是使用工程方法，让钢结构性能更加趋于既定要求。与此同时，在基于性能的设计理论中，设计人员可通过分析计算、预测结构等方法，验证所设计的钢结构性能是否满足工程使用方的要求，确保钢结构性能可以贴合工程使用方的需求。
        1.2结构的几何及材料非线性计算分析
        随着大跨度钢结构在工程施工领域的不断应用，其结构的整体性能的体现也需要相关的设计工作人员进行详细的计算分析，得出基于性能的大跨度钢结构设计方法，更好地服务于施工组织设计中。事实上，基于钢材的本身特性，使得钢.构设计在达到屈服荷载之前，往往会按照相关的应力变化，呈现出明显的几何非线性变化。这种几何的非线性性质的变化原理是根据应力反应及相关的屈服状态分析得出的。
        基于以上的情况，在进行相关的大跨度的钢结构施工组织设计过程中，要充分考虑到整个结构构件的整体性能，利用传统的设计方法，比如采用平面和线性假设等的方法已经完全无法适应整个大跨度钢结构设计的需要。因而需要相关的设计人员要相应地增加几何非线性设计的承载力分析，从实际的钢结构工作效果来看，一旦其在作业过程中达到承载力的相应的极限值以后，其明显的屈服状态就会进而体现，而材料的有关性能也在随着整个塑性的角度去发展，表现出来的是材料的非塑性特征。
        为此，设计人员需要加强对于几何非线性和材料非线性相互耦合的双重非线性的考量，在设计的操作过程中需要借助有限元方法，实现对结构大位移弹塑性过程的分析和计算。随着大跨度钢结构的不断应用及设计方法的研究，相关的设计软件凭借着其自身的优点，获得了相关设计工作部门的认可，并广泛地运用在设计作业的过程中。
        2大跨度钢结构的设计要点
        2.1变形能力的设计
        在大跨度钢结构的设计中，如果钢结构的刚度偏小，只能够满足最低的稳定承载力的指标，当结构体系中弹塑性的极限变形值过大时，结构体系的大变形会使结构倒塌。因此，在大跨度钢结构的设计中，钢结构体系必须同时满足变形能力及稳定承载力两方面的要求。在大跨度钢结构的设计中，钢结构体系中的构件能够达到相应的强度要求之后，想要达到相应的结构弹性的小变形指标，可以采用施加预应力、结构预起拱等措施。
        采用施加预应力的方法能够有效地提高大跨度钢结构的刚度；减小基础反力；还能有效地降低其结构体系的弹塑性变形值，运用施加预应力的方法是一种可靠地将大跨度钢结构中的弹塑性变形能力及弹性同时提高的措施，在对大跨度钢结构施加预应力时，会有效地降低钢结构体系的破坏变形值，但是如果所采用的预应力过大，很容易造成钢结构的脆性破坏，因此在施加预应力的时候，应使钢结构体系处在弹性阶段，预应力拉索不小于2倍的安全系数，索节点受力按照不低于索体破断力的95%来进行设计。下图为两类施加预应力方式对应两种索节点分析应力云图。

2.2荷载类型设计
①永久荷载。在大跨度钢结构体系中，永久载荷主要为屋面覆盖材料的重量和屋盖结构的重量。其中屋面覆盖材料的重量主要包括屋面板、屋面保温结构、檩条以及防水层的重量。如有吊顶结构和设备的管道，在计算中应予以考虑。在煤场封闭类大跨钢结构中，为有效降低永久荷载，提升经济性指标，屋面覆盖材料一般采取压型钢板或者索膜形式。如下图为煤场封闭类大跨钢结构的两种形式：

        ②可变荷载。
        屋面活荷载：对于大跨度钢结构，不上人屋面，屋面均布活荷载标准值采用0.5kN/但最小不得小于0.3kN/，但当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用，或在施工中采取特殊措施；上人屋面，屋面均布活荷载标准值采用2.0kN/。
        雪荷载：屋面雪荷载的大小主要与屋面的几何形状、朝向和风向等有关。大多数情况下，屋面雪荷载小于基本雪压。这是因为雪可从坡度较大的曲面屋顶滑落，风可将松散的雪从平屋顶刮下，有时雪还可能被屋顶外皮的散热所融化。然而，有时也会产生积雪，如双坡屋面的背风一侧、双跨或多跨曲面屋顶的交接处等。此时必须考虑采用较大的雪荷载。
        风荷载：风荷载具有静力和动力作用的双重特点，其静力部分称为平均风或稳定风，动力部分称为脉动风。平均风对结构的作用可用静力学的方法求得；脉动风对结构的作用应采用动力学的随机振动理论求得。
        一般大跨度钢结构属于风、雪敏感结构，在设计过程中，基本风压适当提高，雪荷载标准值按照工程所在地100年一遇的基本雪压来考虑。
        ③偶然荷载。针对大跨度钢结构而言，设计过程中需要考虑地震等偶然载荷的作用。在地面振动的情况下对建筑物形成惯性力，偶然载荷的大小与钢结构的固有特性相关，同时也会受地面运动特性的影响。在地震作用的分析过程中发现，
        建筑物的重量越大，地震作用越强。实际研究过程中应用振型分解反应谱法对大跨度钢结构的地震作用进行计算，对于跨度超限结构，可采用静力弹塑性分析或者动力弹塑性分析补充验算。
        结语：
        大跨度钢结构的施工需要在充分的设计基础之上开展，对于钢结构的性能和相关的参数变化，需要在日后实际工作和设计过程中不断总结，并进行相应数据的对比研究，按照相关的钢结构施工规范进行相应的研究。随着工程施工技术的不断创新发展，越来越多的大跨度钢结构被研制出来，为适应现代化建筑的需求，大跨度钢结构必将会获得更加长远的发展，同时也能够在实际的建筑工程中使用大跨度钢结构，而使得整个社会获得更多的经济效益。
参考文献：
[1]朱静.基于性能的大跨度钢结构设计探讨[J].建筑知识，2016（11）.
[2]林耀贵.基于性能的大跨度钢结构设计探讨[J].住宅与房地产，2016（15）.
[3]董锟.基于性能的大跨度钢结构设计研究[J].科技创新与应用,2020.