基于鋼結(jié)構(gòu)材料性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

方必紀(jì) 閆懷東

浙江嘉華建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 浙江 溫州 325200

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)各地體育場(chǎng)館、會(huì)展中心、高層建筑等工程項(xiàng)目日益增多，各類(lèi)大跨度結(jié)構(gòu)形式被更加廣泛地應(yīng)用到建筑設(shè)計(jì)中來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出施工便捷、性能卓越等突出優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在建筑工程項(xiàng)目中得以普遍應(yīng)用，為鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的創(chuàng)新發(fā)展提供了新的方向。同時(shí)對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，施工周期較長(zhǎng)，需要考慮施工工況、整體屈曲以及使用舒適性等因素，在很大程度上增加了其設(shè)計(jì)難度，對(duì)于建筑設(shè)計(jì)工作人員來(lái)說(shuō)，必須要確保大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)科學(xué)合理，保證其實(shí)際性能可以符合未來(lái)的使用需求，還需要更加全面深入地對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行深入研究?；诖?，本文結(jié)合筆者實(shí)際工作研究，以普通鋼框架和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為例分析基于鋼結(jié)構(gòu)性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 大跨度鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屬于大跨度鋼結(jié)構(gòu)中較為常見(jiàn)的一類(lèi)，此類(lèi)結(jié)構(gòu)目前實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般表現(xiàn)出非常突出的優(yōu)勢(shì)，不但整體結(jié)構(gòu)剛度較大，形變更小，同時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較為平均。選擇網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)可以有效減少整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的自重，同時(shí)擁有較高的承重性能，這也是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)當(dāng)前在大跨度鋼結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用的主要原因[1]。

2 基于性能的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 材料性能

鋼材屬于現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中非常常見(jiàn)的材料，其表現(xiàn)出較強(qiáng)的可塑性和韌性，同時(shí)在實(shí)際施工作業(yè)中可以便捷高效地進(jìn)行組裝，有效促進(jìn)施工效率的提升。大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要根據(jù)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和抗震設(shè)計(jì)規(guī)定，鋼筋伸長(zhǎng)率不低于20%，抗拉強(qiáng)度具體測(cè)量值應(yīng)≤0.85，確保鋼材滿足建筑設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。對(duì)比美國(guó)AISC建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)針對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)還有待進(jìn)一步完善，基于性能的角度出發(fā)對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)實(shí)施變形性能預(yù)測(cè)，確保性能設(shè)計(jì)滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)在進(jìn)行體系性能設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要嚴(yán)格按照J(rèn)GJ7-2010等規(guī)范要求，開(kāi)展好鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力測(cè)定，清楚承載力指標(biāo)，確保鋼材性能符合要求。

2.2 荷載及作用

①永久荷載。永久荷載對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)而言通常來(lái)說(shuō)涉及到屋面材料和屋蓋相關(guān)設(shè)施的自重，例如說(shuō)各類(lèi)保溫材料、防水層結(jié)構(gòu)以及吊頂?shù)?，在設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)算其永久荷載必須要充分考慮到上述因素，從而保證大跨度鋼結(jié)構(gòu)可以提供足夠的支撐性能。

②可變荷載。在大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)科學(xué)計(jì)算考慮可變荷載，首先是屋面活荷載，均勻分布于屋面的活載荷應(yīng)當(dāng)根據(jù)屋面水平投影面積大小予以計(jì)算。大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面均勻分布的活荷載標(biāo)準(zhǔn)通常來(lái)說(shuō)取值0.5kN/m2，若實(shí)際施工作業(yè)時(shí)出現(xiàn)相對(duì)較大的荷載，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況選擇有針對(duì)性的解決措施；其次是雪荷載，大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面幾何形狀以及朝向等相關(guān)因素都會(huì)在很大程度上決定雪荷載大小，一般來(lái)說(shuō)屋面低于全部的雪壓，雪容易從坡度更大的曲面屋頂滑落，若雙坡屋面的背風(fēng)側(cè)或者曲面屋頂發(fā)生積雪，應(yīng)當(dāng)對(duì)雪荷載予以再次計(jì)算；最后是風(fēng)荷載，大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的表面很多時(shí)候會(huì)遇到因?yàn)轱L(fēng)力產(chǎn)生的壓力與吸力，即建筑的風(fēng)荷載。風(fēng)荷載通常情況下作用于建筑物表面，存在靜力與動(dòng)力作用兩類(lèi)，往往把平均風(fēng)與穩(wěn)定風(fēng)計(jì)算為靜力部分，脈動(dòng)風(fēng)計(jì)算為動(dòng)力部分，在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，平均風(fēng)能夠通過(guò)靜力學(xué)方法予以計(jì)算，脈動(dòng)風(fēng)對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的作用可以選擇隨機(jī)振動(dòng)理論實(shí)施計(jì)算[2]。

③偶然荷載。偶然荷載一般來(lái)說(shuō)是因?yàn)楦鞣N突發(fā)事件而造成建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生變動(dòng)，常見(jiàn)的一般有地震、臺(tái)風(fēng)等。對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)必須要充分研究偶然荷載作用。偶然荷載實(shí)際大小往往和鋼結(jié)構(gòu)自身特性存在關(guān)系，也可能因?yàn)榈孛嬲駝?dòng)而產(chǎn)生影響或變化。例如說(shuō)針對(duì)地震作用進(jìn)行分析時(shí)能夠了解到，建筑物自身重量越大，地震所產(chǎn)生的作用越強(qiáng)，設(shè)計(jì)人員可以借助于振型分解反應(yīng)譜法來(lái)針對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的地震作用實(shí)施計(jì)算，亦或是借助于簡(jiǎn)化計(jì)算方法來(lái)對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)實(shí)施分析，選擇時(shí)程分析策略對(duì)關(guān)鍵位置或較為復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

④溫度作用?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009把基本氣溫定義為月平均最高溫度和月平均最低溫度。對(duì)于過(guò)去很多建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)受力不會(huì)產(chǎn)生較大影響，通常設(shè)計(jì)過(guò)程中予以忽略。而對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)而言，因?yàn)闃?gòu)件連續(xù)長(zhǎng)度更大，鋼材自身存在熱脹冷縮的特性，很容易對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)較大的次生內(nèi)力，若設(shè)計(jì)人員沒(méi)有充分考慮溫度作用帶來(lái)的影響，必然會(huì)對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性埋下隱患。

2.3 節(jié)點(diǎn)性能

因?yàn)榇罂缍蠕摻Y(jié)構(gòu)體系表現(xiàn)出復(fù)雜性和多樣性的特征，節(jié)點(diǎn)具體形式各有不同。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般來(lái)說(shuō)為螺栓球節(jié)點(diǎn)或者焊接球節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還包括類(lèi)似于鑄鋼節(jié)點(diǎn)或者銷(xiāo)軸節(jié)點(diǎn)等類(lèi)型。大跨度鋼結(jié)構(gòu)和普通鋼結(jié)構(gòu)相同，其節(jié)點(diǎn)性能必須要在強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性等各方面達(dá)到要求。首當(dāng)其沖的是強(qiáng)度要求，節(jié)點(diǎn)連接件以及板材等不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度破壞的現(xiàn)象，這是鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的基本性能要求。對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須要確保結(jié)構(gòu)體系達(dá)到建筑抗變形要求，比如說(shuō)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)亦或是雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)能夠簡(jiǎn)化成鉸接節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；針對(duì)單層網(wǎng)殼來(lái)說(shuō)節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)為剛接；對(duì)于管桁架結(jié)構(gòu)而言，弦桿在節(jié)點(diǎn)位置應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)為剛接，腹桿在節(jié)點(diǎn)位置應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)為鉸接亦或是剛接。在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，借助于構(gòu)造措施以及有限元分析法來(lái)對(duì)節(jié)點(diǎn)域變形進(jìn)行有效控制，從而保證不會(huì)對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度帶來(lái)影響。對(duì)于節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)問(wèn)題往往集中在受壓板件位置，受壓板件長(zhǎng)度必須要達(dá)到構(gòu)造需求，對(duì)重要部位需要實(shí)施有限元分析，保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性能。

2.4 抗火性能

抗火性能設(shè)計(jì)屬于大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要尤其重視的問(wèn)題。此類(lèi)建筑如果出現(xiàn)火災(zāi)往往無(wú)法有效發(fā)揮出防火隔煙的能力，很容易引起火勢(shì)蔓延。針對(duì)普通建筑來(lái)說(shuō)，能夠使用火災(zāi)探測(cè)器予以控制，但大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑由于內(nèi)部空間相對(duì)更大，火災(zāi)發(fā)生之后，短時(shí)間所產(chǎn)生的空間溫度一般難以觸發(fā)火災(zāi)探測(cè)器，因此也不能夠發(fā)揮出實(shí)際的預(yù)警效果。特別是對(duì)于體育場(chǎng)館來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部人員更多，如果無(wú)法第一時(shí)間予以疏散，必然會(huì)導(dǎo)致十分嚴(yán)重的事故。因此設(shè)計(jì)人員必須要充分考慮到大跨度鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能，促進(jìn)建筑整體安全性的不斷提升。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)在熱傳導(dǎo)系數(shù)等數(shù)據(jù)支撐下科學(xué)計(jì)算內(nèi)部溫度，同時(shí)依靠屈服強(qiáng)度等計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)處于高溫時(shí)的內(nèi)力和形變狀況，從而確保設(shè)計(jì)方案的科學(xué)合理[3]。

大跨度鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼構(gòu)件達(dá)到耐火極限的情況下可以承受的最大溫度是其最大抗火性能。當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)之后，鋼構(gòu)件可能會(huì)發(fā)生拉斷現(xiàn)象，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌。所以針對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)在鋼構(gòu)件處于耐火極限的狀態(tài)下對(duì)其受到的破壞結(jié)果予以深入分析，如此一來(lái)才可以準(zhǔn)確得到鋼結(jié)構(gòu)的最大抗火性能。同時(shí)針對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑來(lái)說(shuō)，火災(zāi)發(fā)生后其內(nèi)部溫度逐漸提高，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度也可能帶來(lái)影響，實(shí)踐計(jì)算后了解到，如果鋼結(jié)構(gòu)處在恒載升溫的情況下，其塑性變形如果超過(guò)0.2%，代表鋼結(jié)構(gòu)失去抗火性能，這時(shí)我們便能夠更為準(zhǔn)確地了解其耐火極限和臨界溫度，為科學(xué)設(shè)計(jì)帶來(lái)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考。

2.5 失穩(wěn)分析

失穩(wěn)亦稱之為屈曲，即鋼結(jié)構(gòu)亦或是構(gòu)件失去整體穩(wěn)定性，針對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，失穩(wěn)問(wèn)題的發(fā)生概率較高。對(duì)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合穩(wěn)定性要求，做好支撐體系的布置。例如某電鍍產(chǎn)業(yè)園，因?yàn)橄婪矫娴囊?，大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備連廊需設(shè)置于主梁下側(cè)，原設(shè)計(jì)要求利用隅撐對(duì)鋼主梁受彎上翼緣予以約束，但由于施工組織原因?qū)嶋H并未設(shè)置隅撐造成主梁屈曲。該事故說(shuō)明大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工對(duì)施工組織環(huán)節(jié)提出了更高的要求。

2.6 舒適性設(shè)計(jì)

當(dāng)代建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率在不斷地降低，主要原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的跨度相比之前有大幅度的提高。使得大部分結(jié)構(gòu)的基頻落在人類(lèi)正?；顒?dòng)產(chǎn)生的頻域區(qū)間內(nèi)，因此在大跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮舒適度的問(wèn)題，類(lèi)似于體育館等建筑在設(shè)計(jì)施工過(guò)程中所選擇的鋼樓蓋結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不能夠僅僅針對(duì)敏感位置的時(shí)程加速度曲線來(lái)證明結(jié)構(gòu)激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)形式，如果條件允許應(yīng)當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)施振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)，得出合理的數(shù)字模型，進(jìn)而為舒適性分析帶來(lái)更多依據(jù)。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度屬于一種更經(jīng)濟(jì)且高效的方式，針對(duì)新建項(xiàng)目能夠選擇鋼材和混凝土相組合的結(jié)構(gòu)形式，另外依靠提升板厚等措施來(lái)滿足舒適性需求[4]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，近年來(lái)現(xiàn)代建筑技術(shù)得以飛速發(fā)展，大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法也不斷更新。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)必須要基于建筑具體使用需求的角度著手，在符合設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上充分考慮其他因素可能對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)施工帶來(lái)的不利影響。