淺析大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

任 榮

淺析大跨度建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

任 榮

摘 要：大跨度建筑的安全指標(biāo)包括兩個(gè)方面，一是承載力，二是變形能力。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在的鋼結(jié)構(gòu)以及大跨度的結(jié)構(gòu)體系都缺乏相關(guān)的系統(tǒng)規(guī)定，本文針對(duì)基于性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)查和研究，提出大跨度結(jié)構(gòu)體系與節(jié)點(diǎn)的彈性等相關(guān)指標(biāo)以及大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：大跨度；變形能力；穩(wěn)定承載力、

大跨度的建筑目前在我國(guó)的發(fā)展還不是很成熟，許多先進(jìn)的技術(shù)我們還沒(méi)有完全的掌握，就更沒(méi)有辦法做到很好的創(chuàng)造和設(shè)計(jì)，其實(shí)與其他形式的鋼結(jié)構(gòu)作用一樣，設(shè)計(jì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)，也是為了主要解決結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)、構(gòu)件設(shè)計(jì)及連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。但是與其他形式的鋼結(jié)構(gòu)不一樣的是，大跨度的鋼結(jié)構(gòu)體系非線性影響十分突出，主要表現(xiàn)在很多安全控制因素上。在很多國(guó)家都有相關(guān)的規(guī)定來(lái)規(guī)范大跨度的建筑設(shè)計(jì)，但是從我國(guó)來(lái)看，我們的情況不容樂(lè)觀，因?yàn)檫€沒(méi)有很成熟的技術(shù)來(lái)支撐，不過(guò)我們一直在努力的實(shí)現(xiàn)著，努力的探索和創(chuàng)新著。從我國(guó)現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)情況來(lái)看可簡(jiǎn)略的概括為以下三個(gè)方面：

（1）對(duì)于物理的計(jì)算我們還有一定的優(yōu)勢(shì)，有一部分是基于手算還有簡(jiǎn)單基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)計(jì)算，但對(duì)于空間受力的大跨度的鋼筋結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)缺乏很好的適應(yīng)能力，在另一方面現(xiàn)在的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然有相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)定，但都缺乏明確的計(jì)算理論和方法，做不到以同樣的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量。

（2）對(duì)于計(jì)算手段方面，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)能夠解決比較基本的問(wèn)題，也能有基本的分析能力，雖然現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還處于一種原始的手算的狀態(tài)，這樣雖然給工程設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了方便，但是卻限制了一些先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

1 鋼結(jié)構(gòu)基于性能的設(shè)計(jì)概述

1.1 性能設(shè)計(jì)

性能化設(shè)計(jì)對(duì)于這樣的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)是十分重要的，因?yàn)檫@決定著大跨度建筑的設(shè)計(jì)成果和性能，總的來(lái)說(shuō)就是一種運(yùn)用工程方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方法。為了滿足業(yè)主對(duì)結(jié)構(gòu)性能的要求和滿足相關(guān)的規(guī)范規(guī)定指標(biāo)，就需要通過(guò)分析計(jì)算來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，特別是能評(píng)估到在不同的情況下結(jié)構(gòu)的變化。

1.2 結(jié)構(gòu)幾何與材料雙非線性計(jì)算分析

因?yàn)楦邚?qiáng)度材料的應(yīng)用加上新技術(shù)的應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)建筑的重量越來(lái)越輕，使用率越來(lái)越大，在發(fā)展的過(guò)程中跨度也越來(lái)越大。傳統(tǒng)的基于平面設(shè)計(jì)還有線性的假定分析方法已經(jīng)滿足不了業(yè)主以及建筑工程師的要求，因此設(shè)計(jì)時(shí)要考慮很多問(wèn)題，盡量做到對(duì)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性的計(jì)算分析，確實(shí)落實(shí)到每一個(gè)結(jié)構(gòu)的分析，真正多到結(jié)構(gòu)的全方位掌握。

1.3 基于延性性能的設(shè)計(jì)思路

對(duì)于一個(gè)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，延性是十分重要的，因?yàn)檫@樣能加大整個(gè)構(gòu)件的屈服荷載。延性好的構(gòu)件在后期的變形能力就更大，有更大的變化空間，有很大的彈性形變。這種性能能夠在火災(zāi)等大災(zāi)難來(lái)臨的時(shí)候吸收一定的能量，利用自身的變形來(lái)預(yù)示著一些不好的征兆。所以說(shuō)延性的設(shè)計(jì)是十分重要的，也是我們今后要研究的重點(diǎn)。在延性的設(shè)計(jì)過(guò)程中，延性的比例系數(shù)也是十分關(guān)鍵的，每一個(gè)比例系數(shù)都可能會(huì)產(chǎn)生不一樣的效果和結(jié)果。

2 鋼材的強(qiáng)屈比與延伸率

在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的變形時(shí)就已經(jīng)在喪失它的使用功能，所以說(shuō)鋼結(jié)構(gòu)基本上不發(fā)生單純的塑性破壞。由于塑形的鋼材要滿足很強(qiáng)的材料強(qiáng)化功能，而且強(qiáng)化的力度不能過(guò)低，所以就涉及到很多的設(shè)計(jì)規(guī)范，要對(duì)鋼材的強(qiáng)屈比和延伸率進(jìn)行調(diào)整和校對(duì)。盡可能的產(chǎn)出高質(zhì)量的鋼材，因?yàn)殇摬囊彩墙ㄖ幕A(chǔ)。

3 鋼結(jié)構(gòu)體系性能設(shè)計(jì)

我國(guó)對(duì)于大跨度的鋼結(jié)構(gòu)塑性形和變形性能設(shè)計(jì)沒(méi)有任何規(guī)范和要求，所以為保證結(jié)構(gòu)安全，我們迫切需要相關(guān)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行規(guī)范，這樣有利于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)。所以說(shuō)我國(guó)在這方面有待提高和補(bǔ)充。

3.1 穩(wěn)定承載力

在國(guó)內(nèi)的課題研究中我們可以看到，穩(wěn)定承載力對(duì)于任何一個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)都是十分重要的，正是因?yàn)橛羞@些結(jié)構(gòu)，才使得建筑結(jié)構(gòu)能夠有一定的支撐作用，才能使得整體結(jié)構(gòu)變得安全和方便。

3.2 變形能力

筆者通過(guò)大量的實(shí)踐和分析研究得出以下結(jié)論，一是對(duì)于剛度小的大跨度鋼結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)化構(gòu)件進(jìn)行完善后，通過(guò)結(jié)構(gòu)預(yù)期、施加預(yù)應(yīng)力措施可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)行的變形構(gòu)件的規(guī)范；二是結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定承載力受預(yù)起拱有影響，不同結(jié)構(gòu)體系影響程度不等，但預(yù)起拱不能提高大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系彈塑性大變形能力；三是預(yù)應(yīng)力能大幅度提高除大懸挑結(jié)構(gòu)體系之外的大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定承載力。

4 鋼節(jié)點(diǎn)性能設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)安全的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中最重要的鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。當(dāng)前我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量控制最薄弱的地方也是鋼節(jié)點(diǎn)。為了保證整體結(jié)構(gòu)的安全，我們同樣需要確定鋼節(jié)點(diǎn)基于非線性分析的彈性小變形與彈塑性大變形性能的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。

4.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)承載力

鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)承載力不應(yīng)該采取材料的屈服力作為其安全控制指標(biāo)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)承載力取其彈性極限荷載過(guò)于保守。所以說(shuō)，可行的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的方法就是以破壞荷載為基準(zhǔn)，留有適度的安全系數(shù)來(lái)確定節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)承載力。

4.2 節(jié)點(diǎn)變形能力

由于鋼節(jié)點(diǎn)的類型多種多樣，依據(jù)大量計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出大跨度的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)三點(diǎn)在雙非線性分析的變形能力基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)方法與控制指標(biāo)，節(jié)點(diǎn)的變形能力可以說(shuō)是建筑構(gòu)件當(dāng)中的一個(gè)指標(biāo)，我們現(xiàn)在的階段還只是處在探索的階段，但是節(jié)點(diǎn)的變形能力特點(diǎn)已經(jīng)被人們熟知了。

結(jié)語(yǔ)

（1）實(shí)踐表明，隨著科學(xué)的快速發(fā)展，很多大跨度的結(jié)構(gòu)都是可以進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而且這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也代表了今后的技術(shù)發(fā)展方向。

（2）大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念是從很多個(gè)角度得來(lái)的，其中當(dāng)然少不了探索和創(chuàng)新，通過(guò)探索和創(chuàng)新我們知道大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理是從體系、構(gòu)件以及節(jié)點(diǎn)等方面進(jìn)行基于性能的設(shè)計(jì)。其中過(guò)程很復(fù)雜，需要很多的工序來(lái)實(shí)現(xiàn)其中的每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，在最后才能對(duì)構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)、體系的安全進(jìn)行全面的性能設(shè)計(jì)。這方面是我們欠缺的，需要補(bǔ)充和完善的。

（3）在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上要完善我國(guó)現(xiàn)在各類鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范體系，將性能化時(shí)機(jī)的思想和方法融入到其中，確保鋼結(jié)構(gòu)工程安全，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的科技創(chuàng)新與發(fā)展，還需要許多工程設(shè)計(jì)人員和科研人員的共同努力。相信在不久的將來(lái)能夠很好的實(shí)現(xiàn)大跨度建筑的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：TU391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：任榮，女，1987年10月28日出生，畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，土木工程專業(yè)，現(xiàn)從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。