基于性能的大跨度钢结构设计研究

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　　摘    要：随着现代超大跨度空间钢结构设计的技术不断进步，在设计过程中不断采用科学合理的计算方法，充分借用计算机技术，满足钢结构的设计发展要求。工程设计人员要不断借鉴国内外先进的设计经验，创新设计思路，优化结构的整体设计，保障超大跨度空间钢结构设计的安全性和合理性。
　　关键词：性能;大跨度;钢结构;设计
　　1  前言
　　超大跨度空间钢结构设计在设计思路以及设计形式上与传统形式并无明显的差异性，大跨度钢结构主要注重设计中的荷载和可能产生的变形问题。这种结构对于整体材料要求也较高，节点所使用的材料对于整体结构的承载力性能和结构变形能力都有较为深远的影响。整体结构需要考虑系统受力，将空间结构作为一个整体去分析受力状况，以满足设计要求以及应用效果。从目前国内外关于这种结构的研究上来看，主要研究系统的整体性能，寻找较为合理的工程学设计思路，抓住系统结构的整体性能计算核心方法，以完成既有的结构设计为主要目标，对整体钢结构进行严格的结构分析和计算，从模型中判断在不同的荷载情况下不同的钢结构的响应，从而能够判断超大跨度空间钢结构的整体性能，对于总体建筑设计进行评判。
　　2  钢结构基于性能设计的基本概念与设计思路
　　2.1  性能设计
　　自结构设计方法出现以后，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。
　　2.2  基于延性性能的设计思路
　　通常来说，如果构件或者结构存在较好的延性能力，其后期变形的程度也会越大，即便结构或者构件的屈服或承载力已经处于极限状态下，其仍然可以吸收一定程度的能量，有助于推迟延性破坏的时间。因此，在设计钢结构时，设计人员做好延性性能控制是很有必要的。在设计大跨度钢结构过程中，延性性能设计也成为了大跨度钢结构设计的重要思路。在延性设计时，需要对以下参数予以重点考虑，即：屈服荷载、破坏荷载、屈服变形以及破坏变形。此外，为了保证延性设计更加合理，设计人员首先要想办法计算出上述延性性能参数，并对屈服荷载值、屈服变形指标加以分析，确保大跨度钢结构可以得到可靠、安全的使用。另外，在延性设计时，设计人员要计算出准确的承载力比例系数，确保大跨度钢结构在出现结构破坏前可以储备一定大小的承载力。最后，延性设计过程中，设计人员要对变形比例系数予以准确、合理的确定，以此来确保大跨度钢结构在出现结构破坏前，结构自身可以有一定的变形能力储备。总之，钢结构基于延性的性能设计，设计人员要对体系几何非线性、材料非线性的计算分析加以考虑，从而获得钢结构屈服荷载、破坏荷载等性能参数，并以此为基础提出符合国家标准要求的安全设计性能控制指标。
　　3  设计中的重难点分析
　　3.1  变形设计
　　系统结构在设计过程中，由于钢结构系统的变形对荷载的影响，要使得其变形性能满足设计需要，同时钢结构体系也要满足弹性形变的要求，满足系统的弹性变形。系统构件除了要从整体上进行分析以外，还要学会拆分，每一个构件的受力都要符合标准，不能够超出杆件的承载力范围。为了使得杆件受力符合特性需要，也可对系统结构施加预应力的方法，使得材料满足弹性形变。对钢结构施加的预应力能够有效提升超大跨度空间钢结构的整体刚度，使其结构承载力满足性能要求，要有效降低整个钢结构体系的弹性形变和塑性形变，同时能够提升整体钢结构的抗变形能力。对于整体钢结构实施预应力能够进一步防止超大跨度空间钢结构出现破坏性的形变。
　　3.2  荷载设计
　　对于永久荷载来说，在超大跨度空间钢结构设计过程中，永久荷载主要包括屋面以及屋盖的质量。在屋面整体结构中，上部的覆盖物也要计算在内，主要包括屋面板以及保温板等。系统结构的荷载可以通过计算软件进行合成模拟，以找出最佳的荷载计算量以及最大的荷载承受能力。屋盖结构有时包括一些附属性的设施，包括附属的管道和设备等，都要计算在内。
　　上面主要阐述系统结构的永久荷载，另外一部分荷载来自于系统的活荷载，系统结构不同，所承担的活荷载也有很大的差异性，经过研究，主要包括以下几种活荷载：
　　①主要是屋面的活荷载。这种性质的活荷载需要考虑的因素是活荷载所占用的面积，一般在计算中都会近似将其视作分布较为均匀的活荷载，以简化计算过程。一般采用0.5kN/m2，如果在施工过程中遇到较大幅度的荷载，需要采用科学的计算方法。②雪荷载。系统结构的整体形状以及结构的朝向会影响雪荷载的大小。在一般情况下，钢结构屋面所承受的雪荷载一般小于全部雪压的重量，雪可以从曲面屋顶滑落，也有一部分雪被屋顶热融化。如果曲面屋顶出现积雪，应该重新计算结构的雪荷载。③风荷载，对于超大跨度空间钢结构设计，由于体积比较大，因此会阻碍空气的流动，空气在建筑物表面流动过程中会产生一定的吸引力。风荷载一般施加于建筑物的表面中，并且表现两种形式：a.动力;b.静力。稳定的风荷载一般估计为静力，其余被归结为动力部分。平均风荷载可以利用静力学方法进行计算，其余可以借助于动力学方法进行模拟运算。④偶然荷载。偶然荷载主要考虑系统结构在运营过程中在偶然条件下所面临的荷载，比如说地震过程中产生的荷载。如果系统钢结构在地震等强作用力条件下，会对整个结构产生较大的惯性作用力。这种惯性作用力与系统结构自身的特性有着比较大联系，计算规则也与系统自身的特性有关。经过研究发现，系统结构自身重量越大，受到的惯性作用力也就越大。这种系统产生的惯性作用力可以利用一些有限元软件进行模拟，以测试系统的真实抗震性能，形成网架结构，以简化整个系统的计算规则。
　　4  结束语
　　为了保证钢结构工程的使用质量，特别是大跨度钢结构工程的使用质量，设计人员除了要努力提升自身综合素质外，还应切实的加大对于基于性能的大跨度钢结构设计的研究力度，努力提高大跨度钢结构工程的设计质量，确保大跨度钢结构工程的性能可以符合业主的要求，保证大跨度钢结构的使用始終处于最佳性能，为进一步加快我国钢结构工程的发展增添新的动能，对全面提升我国钢结构工程的设计水平有着重要意义。
　　参考文献：
　　[1] 刘学春，林娜，腾伟等.大跨度复杂异形钢框架结构设计与承载力性能研究[J].钢结构，2015（5）：11～16.
　　[2] 任荣.浅析大跨度建筑钢结构设计[J].中国新技术新产品，2015（9）：133.
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