基于性能的大跨度钢结构设计探索

黎灿坤

（广东省建科建筑设计院有限公司，广东广州 510000）

0 前言

近几年，以制造业为代表的第二产业产值在国民收入中比重持续攀升，奠定了钢结构产业持续进步的基础，我国内部钢结构产值呈现出明显的加速态势。随着钢铁工业的跨越式发展，大跨度钢结构占钢结构总比例日益提升，以性能为根据的跨度超60m的钢结构规划表达受到越来越大的关注。基于此，为了保证大跨度钢结构产值的持续升级，探索以性能为根据的大跨度钢结构设计就具有非常重要的意义。

1 我国钢结构发展现状

从2016 年开始，《钢铁工业调整升级规划（2016—2020 年）》等出台，为国内钢结构产值的提升提供支持。仅在2018 年，我国钢结构产量就达到6800 万t 以上，产值在6800 亿元以上，同比2016 年增长30%以上。从2019 年开始，政府部门就提出钢结构试点住宅建设叠加多省试点，有望探索出一套可以推广、复制的钢结构住宅建设模式。但是，相比西方发达国家，国内钢结构渗透率仍然较低，主要集中于民用建筑、超高层商业楼宇、工业建筑等公共建筑领域，未来仍然具有较大的提升空间[1]。

2 设计思路

跨度超60m 的钢结构具有自体重量处于较低水平、损耗材料量少、加工制作简单、应力计算可靠、抗震性能强、材质均匀等优良特点。为了充分发挥上述优势，首先，采用基于结构性能的设计方法，选择结构与材料非线性计算方式，深入结构整体稳定承载性能进行深层次研究。并利用结构超大位置移动弹性——塑性全过程优先原则整体划分研究的方式，确定究极载荷条件下大跨度钢结构的运作状态。

其次，进行预起拱、预应力施加下的大跨度钢结构稳定承载力性能化分析。并考虑刚度处于较小水平的跨度超60m 的钢结构情况，确定基于力学层面的跨度超60m 的钢结构变形能力规划表达的阐释过程。

最后，结合现有标准，回顾与钢结构双重抗侧力结构有关的两端简支压杆的临界荷载，进行有摇摆柱的大跨度钢结构件荷载设计，获得提高大跨度钢结构件支撑架刚度富余的方法。

3 设计分析

3.1 计算结构与材料非线性计算

对于大跨度钢结构而言，其在达到屈服荷载之前存在一个较大水平的形状改变，具体表现为程度较大的几何非线性改变，以往以线性假定、平面假定为根据的整体分解研究方式就无法满足结构设计需求，必须引入材料几何非线性计算方式。即针对结构趋近于自身所可承担究极限度荷载情况下结构性质由线弹性转化为塑性（结构屈服阶段）所表现出的非线性性质，结合几何非线性与前者相互耦合的双重非线性，借助ANSYS 通用有限元软件，进行结构的超大位置移动弹性——塑性全过程整体划分研究，顺利获取究极载荷条件下大跨度钢结构的运作状态。

以广东某桁架拱+面外支撑结构为例，该结构抛物线拱由三段圆弧拟合获得，主体横向、纵向分别采用四管桁架拱、平面桁架联系。据此，可以构建长度×跨度×矢高为420m×182m×136m 的模型，在ANSYS 通用有限元软件中开展力学分析。通过分析得出荷载临界系数可达到10.5，桁架拱角部出现平面外屈曲，而在恒定荷载、半跨活荷载情况下，荷载临界系数达到13.2 时桁架拱角部出现同样的情况，表明结构线性稳定性、安全性、可靠性良好。同理对材料进行分析，可以得出材料稳定性、安全性良好的结论。

3.2 变形能力的设计

预起拱、预应力施加对于跨度超60m 的钢结构体系稳定承载力影响较大，根据钢结构体系的差异，其受影响的程度也存在一定差别。对于刚度处于较小水平的大跨度钢结构而言，一旦构件强度与规范要求相符，则经预应力施加措施、结构预起拱措施的实施，可以达到现行规定的结构弹性小变形性能指标要求。其中预应力施加可以有效提升跨度超60m 的钢结构体系的稳定承载力（除大悬挑结构体系外）并促使结构件弹塑性大变形值大幅度下降，保证体系弹性、变形量可靠、稳定。但是，由于这一方案实施过程中结构体系破坏变形值会出现较大的下降幅度，一旦预应力度超标，就会导致大跨度钢结构件荷载与位置移动的相对变化曲线出现无法显著观察的屈服台阶脆性损坏。为避免上述问题出现，在设计阶段，需要进行预应力度、预应力索系布置的全过程优化，并进行预应力构件安全系数的添加，保证大跨度钢结构件体系形状变化较大情况下预应力构件仍然具有完全弹性；而预起拱对于存在较大差异的跨度超60m 的钢结构体系的弹塑性形态大体量演变值降低幅度处于较小的水平，无法有效提升对应结构体系弹塑性大变形能力。这种情况下，在大跨度钢结构设计过程中，依据现有规范的预起拱方法，仅可用于解决弹性小变形能力要求，无法保证跨度超60m 的钢结构体系的弹塑性形态演变效果。

3.3 荷载设计

为保证跨度超60m 的钢结构局部稳定性，可结合现有《钢结构设计标准（GB 50017—2017）》进行计算。具体设计前需要回顾与钢结构双重抗侧力结构有关的两端简支压杆的临界荷载，并利用欧拉公式进行计算，公式如式（1）所示：

如式（1）所示，EI、H 分别为压杆截面的抗弯刚度、压杆长度，表明压杆截面的刚度直接决定了压杆件的承载力，相邻构件的刚度也可以看成自身的承载力。在稳定极限状态，因压杆截面具有抗弯刚度其仍然可以保证完全弹性，这一状态就可看作压杆已达到极限荷载。此时，若大跨度钢结构框架存在摇摆柱（如图1所示），则在大跨度钢结构框架柱的双重抗侧力结构长度计算时，就需要首先计算放大系数η，计算公式如式（2）所示：

图1 钢结构摇摆柱

如式（2）所示，∑Ni、∑Pj分别为全部摇摆柱上的轴力之和、框架柱上的轴力，采取放大处理后的核算长度，可以设计出较之无摇摆柱阶段更大的钢结构截面，保证刚度富余，为摇摆柱抵御压力载荷提供支持。而对于大跨度钢结构悬臂柱子顶部与邻近的摇摆柱相连接时，摇摆柱的临界荷载Ncr就可以用式（3）进行计算：

由式（3）可知，钢结构件自身刚度、相邻构件刚度均可以成就稳定荷载，此时，在钢结构件截面强度足够而自身刚度无法抵抗自身压力载荷时，就可以通过提升相邻构件的刚度抵抗自身压力荷载。

以广东省某项目大跨度钢结构框架设计为例，假定其本身就具有侧移失稳，且计算长度系数μs大于1，承载力为600kN，但由于设计阶段希望框架侧移失稳计算长度为1，承载力就演变为900kN，增加的300kN 均由钢结构支撑架的抗侧刚度提供。此时，若采取常规大跨度钢结构荷载设计方法，就无法保证钢结构支撑架荷载顺利进入极限状态[2]。因此，为保证钢结构支撑架刚度富余，可以结合GB 50017—2017，进行实际演练。即以应力比的方式，进行荷载控制。具体公式如式（4）所示：

式中：ρ-应力；θ-二阶效应系数。

4 设计目的

对于大跨度钢结构件而言，现有设计钢结构设计规范与规程并无法完全覆盖，也无法沿用以往以线性假定、平面假定为根据的已有设计经验，需要采用以性能为根据的设计手段。而以性能为根据的设计目的设定对大跨度钢结构造价、安全等指标具有直接的影响，决定了设计成功或失败，需要详细划定。总体上而言，以性能为根据的大跨度钢结构设计目的为整体稳定性良好，无几何非线性大变形出现。同时大跨度钢结构整体抗风性能处于较为优良的水平，结构在中等地震、大型地震情况下仍然可以保持“不倒塌”“可修理维护”的状态，且结构具有优良的防连续倒塌性能。从局部来看，以性能为根据的大跨度钢结构设计目的与施工阶段安全、质量、造价等要求相符合。

5 结语

综上所述，在高强度材料应用范围逐渐扩大、新的钢结构施工技术陆续投入应用的进程中，钢结构建筑朝着轻量化、大跨度方向发展。在大跨度钢结构设计过程中，性能设计是应用较为有效的方式之一，可以利用高效率结构分析验算的方式，预先估测荷载作用变化情况下结构的响应，制定详细的优化方案，保证结构性能与业主以及规范要求的性能指标相符合。在未来的大跨度钢结构式合计过程中，性能设计控制指标将更加完善、性能设计手段将更加先进、性能设计理论将更加丰富，为大跨度钢结构设计工作的高效率开展提供保障。