關(guān)于大跨度建設(shè)下鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計探究

黃恩杰

【摘要】隨著社會經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，建筑功能也在日新月異的發(fā)展和變化，設(shè)計師們對于建筑的理解不斷深入，大跨度空間結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，如體育館、會議中心、展覽中心、機場候機大廳以及音樂廳等公共建筑，此類結(jié)構(gòu)在滿足對于開闊的建筑內(nèi)部空間需求的同時，又會因其優(yōu)美的外觀和新穎的結(jié)構(gòu)形式，成為一道亮麗的風(fēng)景。然而，隨著地震災(zāi)害的頻繁發(fā)生，如何進行大跨度空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計，尤其是分析研究地震作用對于大跨度空間結(jié)構(gòu)的影響是我們最關(guān)心的問題。本文以前人的研究成果為基礎(chǔ)，理論結(jié)合實際，對大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了探究。

【關(guān)鍵詞】大跨度;鋼結(jié)構(gòu);材料;性能;設(shè)計

引言：在建筑設(shè)計施工過程中，鋼結(jié)構(gòu)的使用可以降低結(jié)構(gòu)的自身重量，并可以提高自身強度，因此為了達到建筑鋼結(jié)構(gòu)塑性及韌性要求，相關(guān)部門在進行鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合適鋼材，進而使鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢得到更好的發(fā)揮。并且，除了要提高鋼結(jié)構(gòu)自身強度，還需滿足其使用功能要求，如防腐和防火等功能。

1.?目前我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題

雖然鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)建筑中已實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的水平進步與提高速度很快，但在大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還存在著很多問題。30m以上大跨度鋼結(jié)構(gòu)較少，對于該類大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，應(yīng)該注意對其重點部位的調(diào)整。

為保障承重構(gòu)件的承載力并避免脆性破壞的發(fā)生，要根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載特點、建筑結(jié)構(gòu)的形式、連接方式、應(yīng)力情況、鋼板厚以及環(huán)境等一些因素，來選擇適合的鋼材。承重構(gòu)件的鋼材應(yīng)采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼，其質(zhì)量應(yīng)分別符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《碳素鋼結(jié)構(gòu)》GB/T?700和《低合金高強度鋼結(jié)構(gòu)》GB/T?1591的規(guī)定。結(jié)構(gòu)承重部分應(yīng)采用具有抗拉性能、屈服強度、伸長率和硫與磷含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求材料，對于焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)具備碳含量合格證明。承重焊接部分及重要的焊接非承重部分所用鋼材還要具備冷彎試驗合格保證。而在設(shè)計過程中，由于設(shè)計人員對鋼材市場可能不很了解，導(dǎo)致施工單位在備料時常會發(fā)生買不到施工圖紙中所選用的材料;除此之外，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件大部分是在加工廠完成制作，構(gòu)件運到現(xiàn)場后拼裝，由于節(jié)點設(shè)計不合理導(dǎo)致構(gòu)件無法安裝，這種情況在施工中會經(jīng)常碰到。節(jié)點設(shè)計時，不僅要考慮節(jié)點受力合理，也要考慮節(jié)點是否便于安裝，當(dāng)安裝困難或無法安裝時，應(yīng)考慮變更節(jié)點設(shè)計。

2.?大跨度鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)注意的一些問題

對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的使用，首先要避免一些過度大跨度。一些設(shè)計者認為越大的跨度則越好，而其實跨度過大不實用，經(jīng)濟性查，會消耗大量的資源，人們也并不愿意在一個牢籠里生活;此外，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些新型輕質(zhì)的材料不斷出現(xiàn)，其不僅可減輕鋼結(jié)構(gòu)自身的重量，還更加地經(jīng)濟、安全;再者，結(jié)構(gòu)應(yīng)進行簡潔的布局，使力的傳遞路線更短，從而提高鋼結(jié)構(gòu)使用效率，且不會受過多限制，使整個結(jié)構(gòu)更加簡潔;最后，要盡可能避免受彎桿件的使用，應(yīng)多使用拉壓桿件。

3.?基于性能的大跨度建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1?性能設(shè)計

從結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的演變和發(fā)展過程看，在20?世紀90?年代，以為來自美國的學(xué)者提出了性能化結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化理論，其代表著結(jié)構(gòu)設(shè)計未來的發(fā)展趨勢。基于性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計為一種應(yīng)用工程上的方法而達到規(guī)定結(jié)構(gòu)性能要求的設(shè)計手法。在性能化結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化理論中，運用高效結(jié)構(gòu)高等計算分析方法，對結(jié)構(gòu)在各類條件下，特別是荷載變化作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生響應(yīng)進行預(yù)測，進而對結(jié)構(gòu)的性能做出評估，最后達到規(guī)范規(guī)定性能指標(biāo)及業(yè)主對于結(jié)構(gòu)的要求。

3.2?材料與結(jié)構(gòu)幾何雙非線性分析

由于新技術(shù)與高強度材料的應(yīng)用，使得鋼結(jié)構(gòu)的重量逐漸減輕，跨度逐漸加大。在達到結(jié)構(gòu)屈服荷載前變形較大，表現(xiàn)為一定程度的非線性性質(zhì)?；谄矫婕熬€性假定的傳統(tǒng)分析方式已經(jīng)不再適用，而目前對于承載力的分析應(yīng)考慮到幾何非線性問題。在多數(shù)情況下，當(dāng)結(jié)構(gòu)逐漸接近所能承受的荷載時，結(jié)構(gòu)將屈服，鋼材料性質(zhì)也逐漸地由線彈性轉(zhuǎn)化為塑性，表現(xiàn)出非線性的性質(zhì)。所以設(shè)計時應(yīng)考慮到材料和幾何非線性間的耦合--雙重非線性，應(yīng)用有限元分析方法進行結(jié)構(gòu)大位移的彈塑性過程計算分析，從而找出結(jié)構(gòu)在承載力到達極限時的工作情況。

4.?鋼材的延伸率與強屈比的計算

在大跨度建設(shè)下的鋼結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中可以看出鋼材的延性能力主要包括兩方面的性能，即延伸率和強屈比。鋼材是一種彈塑性性質(zhì)的材料，在理想的狀態(tài)下，鋼材的塑性應(yīng)變足以滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計所要求的變形能力，但是在實際的應(yīng)用中，鋼結(jié)構(gòu)的破壞不可能是純塑性的破壞，通過一系列的實踐表明，對于用于鋼結(jié)構(gòu)的塑性設(shè)計的鋼材來說，必須具有一定的材料強度的強化性能，即要在設(shè)計要求中對鋼材的最低強屈比作出一定的要求，在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，鋼材的變形能力應(yīng)該大于百分之二十，強屈比應(yīng)該大于1.20。

5.?精準(zhǔn)的計算模型，可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)所使用的材料是非常均勻的，是一種較為理想化的統(tǒng)一的彈性體，與當(dāng)下所使用的計算方式及理念完全相吻合。除此之外，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接模型跟現(xiàn)實狀況較為一致，在進行模型計算的時候所使用到的公式比較少，計算起來較為簡單。為此，鋼結(jié)構(gòu)計算模型在現(xiàn)實的工作當(dāng)中對結(jié)構(gòu)設(shè)計有著精準(zhǔn)性、可靠性的顯著優(yōu)勢。

6.?大跨度鋼節(jié)點設(shè)計

6.1?鋼節(jié)點變形性能設(shè)計

在大跨度條件下鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，鋼節(jié)點的種類有很多，下文主要討論了相貫節(jié)點問題，其設(shè)計的方法主要有：（1）在設(shè)計鋼節(jié)點變形破壞值和屈服值時，二者比例系數(shù)要大于1.2;（2）全過程分析荷載和位移、應(yīng)變之間的關(guān)系，得出節(jié)點變形破壞和屈服應(yīng)變等一些相關(guān)延性參數(shù);（3）在破壞載荷作用下，鋼節(jié)點的彈塑性變形值要小于D/4，在設(shè)計的承載能力作用下節(jié)點變形值要小于D/100。

6.2?鋼節(jié)點承載能力設(shè)計

雙非線性分析法確定節(jié)點的承載力的主要的設(shè)計方法有：（1）對荷載與應(yīng)變的關(guān)系進行全過程分析，得到節(jié)點的屈服應(yīng)變、位移所對應(yīng)的荷載值，取二者中數(shù)值較小的作為相關(guān)節(jié)點的設(shè)計承載力;（2）如果在對節(jié)點的全過程曲線進行分析之后沒有找到明顯的屈服點，可以選取節(jié)點的破壞荷載的1/1.2～1/1.4之間的值作為節(jié)點的設(shè)計承載力;（3）當(dāng)節(jié)點的破壞位移大于D/100?時，要確定節(jié)點的設(shè)計承載力的值，可以選取D/100?所對應(yīng)的加載值，作為節(jié)點的設(shè)計承載力。

結(jié)語：

鋼結(jié)構(gòu)建筑的使用具有很多優(yōu)勢，但在對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，產(chǎn)生了很多的問題。對于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中所出現(xiàn)的問題是不能忽視的，需對其特別注意。只有在設(shè)計時，把握好要領(lǐng)，應(yīng)用科學(xué)的方法和理念進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，才可以設(shè)計出經(jīng)濟、安全、可靠的建筑作品。

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