基于性能的大跨度钢结构设计路径探究

郭 春

（山西省机电设计研究院有限公司，山西 太原 030009）

在现代社会经济迅猛发展的背景下，人们对大跨度钢结构的需求量也在不断上升。决定大跨度钢结构质量的重要因素之一就是设计环节，在对大跨度钢结构进行设计时应当格外注意结构强度设计、结构体系、变形设计、构件稳定性设计、节点等方面。但是在实际设计过程中也存在些许问题缺陷，比如大跨度钢结构的跨度尺寸不统一、不规范，这对设计工作带来了严峻的挑战，因此，设计工程师应当根据项目实际情况对大跨度钢结构进行精准计算，并制定出科学合理的设计方案，为设计质量奠定坚实基础。

1 基于性能的大跨度钢结构设计概述

1.1 性能设计

纵观全球结构设计的历史演变与发展，日后结构设计的方向是性能设计，也就是通过一系列手段确定结构的性能。性能设计的基本理论就是将钢结构面对负载时的现象进行精准计算、全面分析、合理预测，最后对其性能能否充分满足相关标准需求予以有效评估。

1.2 计算分析

社会的不断发展带动了科学技术的进步，各种新型技术与新型材料层出不穷，尤其是钢结构方面，不仅跨度到达了新的范围，钢结构的自重也得到了减轻。当钢结构变形程度即将为屈服荷载之前，其会显示为非线性状态，由此可得，应用过去的计算方法是无法准确核算出以上非线性承载力的［1］。而当钢结构到达屈服承载力时，钢材也会慢慢转变为非线性状态，即从弹性变成塑性。因此，计算材料与结构非线性的方式为最佳。

1.3 延性设计

延性即结构或材料转变为屈服极限荷载之后，其变形性能未得到有效减小。如果某个构件或者结构具备较强的延性，那么通常在后续环节出现变形的概率比较大，同时它们的承载力也会到达极限，此时它们只能承受一部分负荷。并且变形程度与延性有直接关系，若是变形程度偏大，那么说明延性遭遇了较大的损害。当前，在对大跨度钢结构进行设计时，务必要遵循控制延性性能的基本原则，即在设计延性性能时，应当对体系核算予以全面考虑，获得曲线与相关参数之后，再对安全设计性能指标予以严格控制。

2 基于性能的大跨度钢结构设计要点分析

2.1 变形能力设计

在对大跨度钢结构进行设计时，钢结构体系应当充分满足变形方面、结构承载性能以及稳定性能方面的基本需求。尤其是钢结构体系中的构件强度，必须要跟相关标准强度相符，然后再合理掌控钢材结构弹性变形力度，可有效提升大跨度钢结构的设计水平。除此之外，在实际设计过程中，应当对结构施加一定预应力，并预先起拱，起拱大小要根据实际情况确定，该行径有助于优化改良钢结构的外观，同时对后期使用环节也有很大帮助。而施加预应力措施，则能够增强钢结构的刚度和承载性能，抑制结构弹塑性变形问题的发生，并且也能够显著提升钢结构体系的弹塑性变形能力。但是需要注意的是，对结构施加预应力时一定要掌控好力度，以便能够尽数消除结构变形、受损对其各项性能所产生的不利影响。

2.2 荷载设计

荷载包含永久荷载、可变荷载以及偶然荷载三大类，对大跨度钢结构而言，永久荷载往往是指屋面上铺设建材自重和屋盖结构自重［2］。其中屋面上铺设建材种类较多，比如：屋面板、屋面保温结构、防水层等；而屋盖结构主要是指檩条结构，因此在计算屋盖结构自重时，一定要计算檩条的重量，工作人员可应用计算机设备进行计算。此外，若是屋盖结构中具备吊顶、管道等设备，也要予以计算。同时，大跨度钢结构极易因实际施工环节中的各种因素而受到干扰，所以，可变荷载会产生极大的差异化，具体有以下几种：

1）屋面活荷载。在计算该荷载时，应当以屋面水平方向投影区域面积为主要参考依据。一般情况下，大跨度钢结构屋面活荷载是0.5kN/m2，倘若在实际施工环节或者是维修护理阶段发现活荷载偏大，那么应当对其实施及时有效的措施予以解决。

2）雪荷载。雪荷载大小通常是由大跨度钢结构屋面的外形轮廓、朝向等要素来决定的。不出意外的情况下，屋面雪荷载绝对会在雪压最大值之下。如果该工程中的屋面十分陡峭，有一定坡度，那么雪会顺着坡度而向地面上滑落，再加之风也会吹走一部分雪，同时太阳的出现会让周围环境温度上升，屋面上的雪也会逐渐融化；如果该工程中是双坡屋面，那么相关工作人员应当格外注意该屋面的背风坡或者曲面屋顶位置的积雪，该情况下应当重新核算雪荷载。

3）风荷载。一般来说，大跨度钢结构建筑物会对周遭环境中的空气流产生一定影响，比如会对空气的顺利正常流动予以阻挡，此时建筑物表层会产生大小强弱各不相同的法相压力与吸力，这些力正是风荷载。风荷载所出现的主要场所就是建筑物表层，并有两大作用，分别是：①静力作用。该作用主要针对平均风与稳定风，在对该类型风进行计算时，应当选取静力学方式；②动力作用。一般指建筑物受到的脉动风。要想计算脉动风对结构所造成的作用力，可应用动力学中的随机振动机理。

除此之外，偶然荷载在大跨度钢结构设计中也占据着重要地位，比如地震等突发性、偶然性的自然灾害都属于偶然荷载，所以在对大跨度钢结构予以设计时，一定要全面考虑偶然荷载对建筑物承载力的影响。而地震属于一种动力作用，地震的发生会让整个地面产生振动，从而让建筑物出现惯性作用，该作用力强弱主要是由结构自身振动性能与地面运动特征所决定的。而地震作用则是跟建筑物重量息息相关，并且两者关系呈正比。在计算方法上，振型分解反应谱法比较适合用于大跨度钢结构中的地震作用计算中；简化算法则适合应用于部分规则的网架、网壳结构中的地震作用计算中；时程分析法则多数应用在极为关键或者体型繁复的空间结构地震作用计算中。

2.3 钢节点性能设计

钢结构节点设计质量对钢结构安全性能有着直接影响。目前，我国在大跨度钢结构设计方面存在较大问题就是钢节点，且大跨度钢结构工程中所发生的安全事故有很多都是因为钢节点所引发的。查阅大量资料后发现，我国与钢节点相关的规章条例中仅指出了节点的连接设计，并未针对钢节点综合设计予以清晰规定，这对钢节点设计的安全性有很大负面影响。同时，在具体施工环节，建设周期、工程成本对钢节点的试验有一定制约性，这对钢结构的安全稳定无法得到有力保障。

2.3.1 节点设计承载力

通过对钢节点的荷载-应变整个流程的计算分析以及钢节点真实检测试验结果均说明，在大多数区域材料应变发展到屈服应变之前，钢节点会产生非线性增长，这充分表明：在钢管构件应力偏低的情况下，节点部分位置会呈现塑性重分布态势。与此同时，当节点部分位置从塑性转变为塑性区时，荷载也会随之极速增长。所以，将建材屈服应力当做钢结构节点承载力安全控制指标是不合理的，主要是因为节点设计承载力若是根据其弹性荷载极限来决定的话不太精准。对此，我们建议：节点屈服荷载的概念应当是节点塑性区在完全发展之后，且荷载-应变（位移）整个环节曲线图发生显著拐点时所相对应的荷载值［3］。并非节点部分位置发生塑性时的荷载。而节点屈服应变与屈服位移则是节点屈服荷载所对应的节点应变与位移。虽然节点在弹性极限状态转变为屈服状态的过程中，流塑变动较大，这导致无法准确肯定详细屈服点和屈服荷载数值，但是依然能够将节点屈服荷载当成节点设计承载力。另外，节点在遭到破坏并达到极限时，其破坏荷载与定值十分接近，所以，在设计钢节点承载力时，将节点受到破坏时所承受的荷载当做基础，并预留一定安全系数对节点设计承载力予以确定。

2.3.2 节点变形能力

通过观察钢节点的荷载-应变曲线图可得出，弹性极限应变方面，钢节点（≈0.0025）比材料（≈0.0019）要高；节点屈服应变方面，钢节点 （≈0.0060）比材料（≈0.0031）要高。由此可见，钢节点应变性能安全控制指标不可以选取材料的屈服应变。对钢节点而言，无论是由弹性极限应变（位移）转变成屈服极限应变（位移）的过程，还是转变为最后破坏极限应变（位移）的过程，塑性都比较强。然而当钢节点状态为破坏极限时，径向变形极大，这说明主弦杆早已出现较大损害，所以，在实际设计钢节点承载力时，一定要严格把控破坏荷载影响下节点变形最大值。

3 结语

随着大跨度钢结构设计方式、计算方法的不断改革更新，其设计理念也应当跟随时代变化而变化，无论是整体还是局部，都应当基于性能开展设计工作。同时也要时刻关注钢结构的发展趋势及核心要点，充分学习效果极佳的大跨度钢结构建筑工程的设计方案经验，并全面落实性能化设计思想，增强大跨度钢结构工程的安全性与稳定性。