大跨度建设下的钢结构设计研究

摘 要：在大跨度建设下钢结构的设计中，主要的两个安全控制指标是变形能力及承载力，本文通过对大跨度建设下的钢结构设计中各方面因素的分析，探讨大跨度钢结构体系中的变形能力指标、弹塑性承载力、节点弹性等指标，并提出了基于性能的大跨度建设下的钢结构的设计方法。

关键词：大跨度建设；钢结构；性能设计

中图分类号：TU31 文献标识码：A

在大跨度建设下的钢结构的设计中，主要的设计内容有连接节点的设计、构件设计、结构体系设计等，在大跨度建设下的钢结构的设计中，几何与材料的非线性影响突出，对其节点、构件、体系的安全控制有重要影响的是延性性能，在大跨度建设下的钢结构设计中，设计人员应该根据相关的设计规范选用正确的设计方法、参照一定的计算分析理论结合现代实用的计算机软件对各种建设中安全控制指标予以确定，本文就将对大跨度建设下的钢结构的设计进行分析。

一、基于性能的大跨度建设钢结构设计

1性能的设计

在大跨度建设下的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，以此来对大跨度建设下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思路

延性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，在大跨度建设下的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，主要的设计思路表现为：（1）在对钢结构的延性性能进行设计时，其中关键性的性能参数有：破坏变形、屈服变形、破坏荷载、屈服荷载等；破坏荷载指的是结构响应的过程中，构件的加载曲线中最大的荷载；屈服荷载指的是结构响应的全过程中，构件加载曲线出现转折时的荷载，在结构的设计过程中，破坏荷载就是最大荷载，而其中的破坏变形指的是破坏荷载所对应的构件的形变，屈服变形指的是屈服荷载所对应的构件的形变；（2）在钢结构的延性设计中，设计的重点是要得到相关的延性性能的参数，以此来确定出合理的屈服变形值、屈服荷载值，保证在钢结构的运行过程中是在安全的设计荷载下使用，同时要对承载力系数进行合理的确定，保证钢结构在运行的过程中有一定的承载力储备；（3）在钢结构的延性设计中还有一个重要的设计指标就是变形比例系数，其能保证钢结构在运行的过程中有足够的变形能力储备。

通过分析可以看出，大跨度建设下的钢结构的设计中，主要的设计思路就是对体系中的非线性材料、几何非线性等进行计算分析，得到荷载与应力、应变及位移表示的全过程相关曲线，从中得到钢结构的破坏变形、屈服变形、破坏荷载、屈服荷载等各种性能参数，并进行相关的安全设计性能控制指标的分析。

3材料及几何非线性的计算

在大跨度建设下的钢结构的设计发展过程中，不断的采用新技术及新型的高强度材料，这使得在建设的过程中能够达到越来越大的跨度，且建筑物的重量也在逐渐的减轻，在钢结构到达响应的屈服荷载之前，能够具有较大的变形，表现出一定的几何非线性性质，因此在进行大跨度建设下的钢结构的承载力分析时，必须要考虑到其材料及几何非线性性质，为了确定钢结构在极限载荷的作用下的相关工作状态，通常会在分析中借助于有限元方法对钢结构的大位移弹塑性全过程进行分析，在其全过程中的计算与分析过程中，常用的通用有限元计算软件有ANSYS、SAP2000等。

二、钢材的延伸率与强屈比的计算

在大跨度建设下的钢结构的各种设计标准中可以看出钢材的延性能力主要包括两方面的性能，即延伸率和强屈比。钢材是一种弹塑性性质的材料，在理想的状态下，钢材的塑性应变足以满足钢结构设计所要求的变形能力，但是在实际的应用中，钢结构的破坏不可能是纯塑性的破坏，通过一系列的实践表明，对于用于钢结构的塑性设计的钢材来说，必须具有一定的材料强度的强化性能，即要在设计要求中对钢材的最低强屈比作出一定的要求，在钢结构的设计中，钢材的变形能力应该大于百分之二十，强屈比应该大于1.20。

三、大跨度建设下钢结构体系的性能设计

1变形能力的设计

在大跨度建设下的钢结构的设计中，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。

采用预起拱的措施，对钢结构体系的稳定承载力的升高有一定的作用，对于体系的弹塑性变形的降低幅度很小，但是对于体系的大范围的弹塑性的变形不起作用；在工程的设计中，遇到要进行小范围的弹塑性的调节时，可以采用，但不适用于大范围的弹塑性的变化。

2稳定承载力设计

在钢结构体系的研究中，通常会采用几何非线性的方法来进行分析，而在实际的工程应用中，仅仅采用这种方法进行分析是不科学的，无法保证工程设计的安全性，利用双非线性分析模型更接近工程实际。因此，在钢结构的设计中，应该对结构体系的双非线性进行分析，在此基础上再开展结构体系的稳定承载力的设计，大跨度建设下的钢结构体系的主要设计指标有：（1）对钢结构体系的稳定承载力进行分析时，首先进行基于双非线性的荷载与位移关系的全过程的分析，从中得到破坏荷载系数、屈服荷载系数等性能参数，其中的破坏荷载系数指的是钢结构体系中的破坏荷载与相关的设计荷载标准值之间的比值，结构体系的屈服荷载系数指的是钢结构体系中的屈服荷载与相关的设计荷载标准值之间的比值；（2）将大变形值所对应的荷载系数、破坏荷载系数、屈服荷载系数进行对比，将三种系数之间的最小值作为钢结构体系的稳定承载力的系数；（3）采用双非线性分析所确定的稳定承载力应大于等于设计荷载标准值的2.4倍，而采用几何非线性分析确定出的钢结构体系的稳定承载力应大于等于相关设计荷载标准值的4.5倍。

四、大跨度建设下钢节点的性能设计

1钢节点的变形能力设计

大跨度建设下的钢结构的设计中，钢节点的类型多种多样，本次主要是针对相贯节点进行研究，其主要的设计方法有：（1）对荷载与应变、位移的关系进行全过程的分析，得到节点破坏变形、屈服变形及屈服应变等相关的延性性能参数；（2）在节点破坏变形值与屈服变形值的设计中，二者的比例系数应大于1.2；（3）节点在破坏载荷的作用下，其弹塑性的变形值应小于D/4，节点在相应的设计承载力的作用下的变形值应小于D/100。

2钢节点的承载力设计

双非线性分析法确定节点的承载力的主要的设计方法有：（1）对荷载与应变的关系进行全过程分析，得到节点的屈服应变、位移所对应的荷载值，取二者中数值较小的作为相关节点的设计承载力；（2）如果在对节点的全过程曲线进行分析之后没有找到明显的屈服点，可以选取节点的破坏荷载的1/1.2～1/1.4之间的值作为节点的设计承载力；（3）当节点的破坏位移大于D/100时，要确定节点的设计承载力的值，可以选取D/100所对应的加载值，作为节点的设计承载力。

结语

随着现代化的工程设计技术的发展，大跨度建设下的钢结构的设计方法、计算手段、计算理论等不断进步，在其各种设计方法中逐渐应用了基于性能的设计方法，通过对钢结构体系的材料非线性、几何非线性、延伸性能等进行全面的分析，得到相关的性能控制指标，可以完成钢结构体系的全面设计，但是为了确保钢结构体系的安全，优化性能设计的思想，还需要广大的设计人员及工程技术人员的共同努力。

参考文献

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[2]葛家琪，王树，梁海彤，张爱林，张国军，管志忠，杨霄.2008奥运会羽毛球馆新型弦支穹顶预应力大跨度钢结构设计研究[J].建筑结构学报，2010（12）.

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