任 榮

淺析大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

任 榮

摘 要：大跨度建筑的安全指標(biāo)包括兩個方面，一是承載力，二是變形能力。國內(nèi)現(xiàn)在的鋼結(jié)構(gòu)以及大跨度的結(jié)構(gòu)體系都缺乏相關(guān)的系統(tǒng)規(guī)定，本文針對基于性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計進行調(diào)查和研究，提出大跨度結(jié)構(gòu)體系與節(jié)點的彈性等相關(guān)指標(biāo)以及大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：大跨度；變形能力；穩(wěn)定承載力、

大跨度的建筑目前在我國的發(fā)展還不是很成熟，許多先進的技術(shù)我們還沒有完全的掌握，就更沒有辦法做到很好的創(chuàng)造和設(shè)計，其實與其他形式的鋼結(jié)構(gòu)作用一樣，設(shè)計大跨度鋼結(jié)構(gòu)，也是為了主要解決結(jié)構(gòu)體系設(shè)計、構(gòu)件設(shè)計及連接節(jié)點設(shè)計等方面的內(nèi)容。但是與其他形式的鋼結(jié)構(gòu)不一樣的是，大跨度的鋼結(jié)構(gòu)體系非線性影響十分突出，主要表現(xiàn)在很多安全控制因素上。在很多國家都有相關(guān)的規(guī)定來規(guī)范大跨度的建筑設(shè)計，但是從我國來看，我們的情況不容樂觀，因為還沒有很成熟的技術(shù)來支撐，不過我們一直在努力的實現(xiàn)著，努力的探索和創(chuàng)新著。從我國現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)情況來看可簡略的概括為以下三個方面：

（1）對于物理的計算我們還有一定的優(yōu)勢，有一部分是基于手算還有簡單基礎(chǔ)的計算機計算，但對于空間受力的大跨度的鋼筋結(jié)構(gòu)來說缺乏很好的適應(yīng)能力，在另一方面現(xiàn)在的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然有相關(guān)的設(shè)計規(guī)定，但都缺乏明確的計算理論和方法，做不到以同樣的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。

（2）對于計算手段方面，現(xiàn)代計算機技術(shù)已經(jīng)能夠解決比較基本的問題，也能有基本的分析能力，雖然現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計還處于一種原始的手算的狀態(tài)，這樣雖然給工程設(shè)計人員帶來了方便，但是卻限制了一些先進技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

1 鋼結(jié)構(gòu)基于性能的設(shè)計概述

1.1 性能設(shè)計

性能化設(shè)計對于這樣的項目來說是十分重要的，因為這決定著大跨度建筑的設(shè)計成果和性能，總的來說就是一種運用工程方法來實現(xiàn)的設(shè)計方法。為了滿足業(yè)主對結(jié)構(gòu)性能的要求和滿足相關(guān)的規(guī)范規(guī)定指標(biāo)，就需要通過分析計算來進行預(yù)測和評估，特別是能評估到在不同的情況下結(jié)構(gòu)的變化。

1.2 結(jié)構(gòu)幾何與材料雙非線性計算分析

因為高強度材料的應(yīng)用加上新技術(shù)的應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)建筑的重量越來越輕，使用率越來越大，在發(fā)展的過程中跨度也越來越大。傳統(tǒng)的基于平面設(shè)計還有線性的假定分析方法已經(jīng)滿足不了業(yè)主以及建筑工程師的要求，因此設(shè)計時要考慮很多問題，盡量做到對幾何結(jié)構(gòu)進行非線性的計算分析，確實落實到每一個結(jié)構(gòu)的分析，真正多到結(jié)構(gòu)的全方位掌握。

1.3 基于延性性能的設(shè)計思路

對于一個構(gòu)件來說，延性是十分重要的，因為這樣能加大整個構(gòu)件的屈服荷載。延性好的構(gòu)件在后期的變形能力就更大，有更大的變化空間，有很大的彈性形變。這種性能能夠在火災(zāi)等大災(zāi)難來臨的時候吸收一定的能量，利用自身的變形來預(yù)示著一些不好的征兆。所以說延性的設(shè)計是十分重要的，也是我們今后要研究的重點。在延性的設(shè)計過程中，延性的比例系數(shù)也是十分關(guān)鍵的，每一個比例系數(shù)都可能會產(chǎn)生不一樣的效果和結(jié)果。

2 鋼材的強屈比與延伸率

在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的變形時就已經(jīng)在喪失它的使用功能，所以說鋼結(jié)構(gòu)基本上不發(fā)生單純的塑性破壞。由于塑形的鋼材要滿足很強的材料強化功能，而且強化的力度不能過低，所以就涉及到很多的設(shè)計規(guī)范，要對鋼材的強屈比和延伸率進行調(diào)整和校對。盡可能的產(chǎn)出高質(zhì)量的鋼材，因為鋼材也是建筑的基礎(chǔ)。

3 鋼結(jié)構(gòu)體系性能設(shè)計

我國對于大跨度的鋼結(jié)構(gòu)塑性形和變形性能設(shè)計沒有任何規(guī)范和要求，所以為保證結(jié)構(gòu)安全，我們迫切需要相關(guān)指標(biāo)來進行規(guī)范，這樣有利于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計。所以說我國在這方面有待提高和補充。

3.1 穩(wěn)定承載力

在國內(nèi)的課題研究中我們可以看到，穩(wěn)定承載力對于任何一個結(jié)構(gòu)來說都是十分重要的，正是因為有這些結(jié)構(gòu)，才使得建筑結(jié)構(gòu)能夠有一定的支撐作用，才能使得整體結(jié)構(gòu)變得安全和方便。

3.2 變形能力

筆者通過大量的實踐和分析研究得出以下結(jié)論，一是對于剛度小的大跨度鋼結(jié)構(gòu)，在強化構(gòu)件進行完善后，通過結(jié)構(gòu)預(yù)期、施加預(yù)應(yīng)力措施可以實現(xiàn)現(xiàn)行的變形構(gòu)件的規(guī)范；二是結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定承載力受預(yù)起拱有影響，不同結(jié)構(gòu)體系影響程度不等，但預(yù)起拱不能提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系彈塑性大變形能力；三是預(yù)應(yīng)力能大幅度提高除大懸挑結(jié)構(gòu)體系之外的大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定承載力。

4 鋼節(jié)點性能設(shè)計

在結(jié)構(gòu)安全的設(shè)計環(huán)節(jié)中最重要的鋼節(jié)點設(shè)計。當(dāng)前我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量控制最薄弱的地方也是鋼節(jié)點。為了保證整體結(jié)構(gòu)的安全，我們同樣需要確定鋼節(jié)點基于非線性分析的彈性小變形與彈塑性大變形性能的設(shè)計控制指標(biāo)。

4.1 節(jié)點設(shè)計承載力

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點承載力不應(yīng)該采取材料的屈服力作為其安全控制指標(biāo)，節(jié)點設(shè)計承載力取其彈性極限荷載過于保守。所以說，可行的節(jié)點設(shè)計的方法就是以破壞荷載為基準(zhǔn)，留有適度的安全系數(shù)來確定節(jié)點的設(shè)計承載力。

4.2 節(jié)點變形能力

由于鋼節(jié)點的類型多種多樣，依據(jù)大量計算分析和實驗結(jié)果，提出大跨度的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點三點在雙非線性分析的變形能力基礎(chǔ)上的設(shè)計方法與控制指標(biāo)，節(jié)點的變形能力可以說是建筑構(gòu)件當(dāng)中的一個指標(biāo)，我們現(xiàn)在的階段還只是處在探索的階段，但是節(jié)點的變形能力特點已經(jīng)被人們熟知了。

結(jié)語

（1）實踐表明，隨著科學(xué)的快速發(fā)展，很多大跨度的結(jié)構(gòu)都是可以進行設(shè)計的，而且這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計也代表了今后的技術(shù)發(fā)展方向。

（2）大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念是從很多個角度得來的，其中當(dāng)然少不了探索和創(chuàng)新，通過探索和創(chuàng)新我們知道大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理是從體系、構(gòu)件以及節(jié)點等方面進行基于性能的設(shè)計。其中過程很復(fù)雜，需要很多的工序來實現(xiàn)其中的每一個標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，在最后才能對構(gòu)件、節(jié)點、體系的安全進行全面的性能設(shè)計。這方面是我們欠缺的，需要補充和完善的。

（3）在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上要完善我國現(xiàn)在各類鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范體系，將性能化時機的思想和方法融入到其中，確保鋼結(jié)構(gòu)工程安全，進一步促進我國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的科技創(chuàng)新與發(fā)展，還需要許多工程設(shè)計人員和科研人員的共同努力。相信在不久的將來能夠很好的實現(xiàn)大跨度建筑的設(shè)計。

參考文獻

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中圖分類號：TU391

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：任榮，女，1987年10月28日出生，畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，土木工程專業(yè)，現(xiàn)從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。