基于性能的大跨度钢结构设计与分析

【摘要】本文对大跨度钢结构设计思想和设计要点进行了详细的介绍，并结合了多年大跨度的钢结构设计经验，对大跨度钢结构设计存在的问题进行了分析。

【关键词】大跨度钢结构 性能设计 设计要点 设计分析

前言：随着社会的发展与进步，钢结构在大跨度建筑设计中应用越来越广泛。在大跨度钢结构的设计中，延性性能的控制对其有重要影响。在大跨度钢结构设计中，设计人员应该根据相关的设计规范、设计要点选用正确的设计方法进行钢结构建筑的设计。

一、大跨度钢结构设计的思想

1、基于性能的钢结构设计

在大跨度钢结构的各种设计方法中，目前主要的设计方向是基于性能的钢结构设计，所谓基于性能的钢结构设计就是采用相关的工程设计方法，完成既定的结构性能目标的设计方法，在基于性能的钢结构的设计中，通过一定的结构分析计算，对不同载荷下的结构响应进行有效的预测，以此来对大跨度钢结构的性能进行评估，判断其结构性能是否满足相关的性能指标。

2、基于延伸性能的设计

延伸性能指的是钢结构中的构件的某个截面从开始屈服的阶段到极限载荷的阶段中，载荷没有明显下降的变形能力，对于延性性能较好的构件来说，在后期具有较大的变形能力，在构件达到承载力的极限之后还具有一定的能量吸收能力，在对其造成破坏之前会表现出一定的延性破坏，在大跨度钢结构的设计过程中必须要对钢结构的延性性能进行控制。

二、大跨度钢结构的设计要点

大跨度主要按照变形能力的设计和荷载类型进行设计，其荷载主要分为永久荷载、可变荷载、偶然荷载。对于永久荷载，应采用标准值作为代表值。对于可变荷载，应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。对于偶然荷载，应按照建筑结构使用的特点确定其代表值。

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的提高大跨度钢结构的刚度；另一方方面，运用这种方法还能有效的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的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，会有效的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，并采取适当措施增加预应力构件所拥有的安全系数。

2、荷载类型进行设计

①、永久荷载

对大跨度结构，永久荷载主要包括屋盖结构自重和屋面覆盖材料自重。屋盖结构的自重计算可采用经验公式或由计算机自动完成，在有擦体系中，还应计入擦条的自重。屋面覆盖材料自重主要是指屋面板、屋面保温层、找坡层及防水层等的自重。若有吊顶等装修构造或设备管道，按实际情况采用。

②、可变荷载

作用在大跨度钢结构上的可变荷载有以下几种。

（1）屋面活荷载。屋面均布活荷载一般按屋面的水平投影面计算。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/m2，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/m2。

（2）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，屋面雪荷载小于荃本雪压。 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。

（3）风荷载当空气的流动受到建筑物的阻碍，就会在建筑物表面的法向形成压力或吸力，这些压力或吸力称为建筑物所受的风荷载。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。

③、偶然荷载

在大跨度钢结构分析中，偶然荷载主要是指地震作用。地震作用是建筑物因地面运动而产生的一种惯性作用，属于动力作用。它的大小既与结构的固有振动特性有关，又与地面运动的特性有关。地震作用与建筑物的重量直接相关，重量越大，地震作用也越大。大跨度钢结构的地震作用一般可采用振型分解反应谱法计算；对于某些规则的网架和网壳结构还可采用简化计算方法；对特别重要或体型特别复杂的空间结构，应采用时程分析法进行补充计算。

三、结构设计存在的问题及分析

1、存在的问题

由于大跨度钢结构有其他各种材料结构不可代替的优越性，使得它越来越被广大的遇着所接受，相应的跨度也越来越大，超过30米跨度的结构已经屡见不鲜。但是因为钢材的多用性和实用性，钢材的价格波动较大，二钢柱的用量往往大于钢梁的用量，又因为防火涂料的昂贵性，从而使得不少的技术人员提出并采用了传统的的钢筋混凝土柱和H钢屋梁来代替原先设计中的钢材。实际上，这些设计的内容已经给相关的设计人员带来了一种新的设计理念和设计结构体系。但是由于我国目前并没有针对此种结构设定专门的参数，使得此种结构方式在实际中容易出现细节的含糊，给的安全带来不必要的隐患。所以对于此种结构，应该先对其在实际中需求的参数极限值进行详细的分析和探究，清楚的认识其内部的受力特点，这样才能使得整个结构更加的合理和安全。

2、结构计算应考虑的问题

对于上述问题中用传统的钢筋混凝土柱和H钢屋梁来代替原先设计中的材料的结构体系，如果没有设置拉杆，就会使得计算过程变得极为繁琐，但如果无视其跨度的大小，仅仅采用通常平面系的计算机软件计算，则会给结构留下一定的安全隐患。就目前而言，平面杆系计算机软件是在两个基本的假设基础上进行各种受力分析的，第一是平截面假设，即每一个构件受力过程中杆件的截面不变；第二是杆件相互之间的夹角不变，即在实际的受力中，钢梁和钢柱之间的夹角相互保持不变。这种假设主要是为了门式钢架而设定的，基本符合受力简图，但是这种假设对于当下的结构不适用，也不符合其受力简图。其具体在于先下的人字型的钢梁的推理过大，因为拱脚没有相应的拉杆或者柱没有充足的抗推力，构件就会产生很大的水平位移，造成钢梁夹角的改变，这与前面的两个假设中的夹角不变假设相互冲突，不便于计算；其次，因为拱脚水平位移加大，钢筋混凝土有了其附加的弯矩，即存在二阶效应问题，但是相应的软件计算中由没有考虑二阶效应。又由于悬索效应的影响，位于屋面上的钢梁内力将会急剧的增加，其剪力也会急剧的增加，造成更加不利的情况，这些都是目前的计算机软件不能解决的问题，所以电算的结果势必会有很大的误差，直接利用电算结果进行设计显然是不合理的，会有其必然的安全隐患。

四、结语

随着工程设计技术的发展，大跨度钢结构的设计方法、设计工具、计算手段等不断进步，大跨度钢结构设计理念也会随着人们的需求不断向前发展。作为一个大跨度钢结构的从业者，更应该对钢结构的发展和其核心的内容进行深入的了解，积极的借鉴国内外其他区域的大跨度房屋钢结构的设计理念和设计经验，充实自身的设计思路和对整个设计系统的规划，从而使得大跨度房屋钢结构设计在未来有其新颖性和创新性。