钢结构设计方法的研究进展与展望

王 砾

中昊(大连)化工研究设计院有限公司大亚湾分公司

钢结构设计方法的研究进展与展望

王 砾

中昊(大连)化工研究设计院有限公司大亚湾分公司

钢结构设计直接关系到建筑工程的主体结构质量。钢结构设计过程中，设计师既要对钢结构设计和应用过程中的相关几何要素进行明确的掌握，又要注重在设计过程中，对其进行技术把控。钢结构设计难度比较大，设计师在钢结构设计过程中既要遵循相关图纸相关要求，以设计图为参考，又要结合建筑工程的具体设计要求和施工情况，对其进行立体性的构思，最大程度上提高钢结构设计质量，并从根本上保障建筑结构设计过程中钢结构的整体性能。

钢结构；设计；方法

钢结构在建筑施工的进程中占据着较为重要的主导作用，其结构本身具备一定的优势，比如其本身的强度较大、自重较轻，所以在土木建筑工程中对钢结构的应用都取得了相当不错的收益。现阶段，随着相关制度的进一步完善以及重点建筑项目的开发，钢结构获得了进一步的发展。

1 建筑钢结构设计方法中的常见问题

1.1 结构内力计算和构建承载力不一致

钢结构整体设计过程中，通常会忽略几何非线性和材料非线性的影响，在建构使用过程中，构件的极限承载力和非线性弹塑性状态两者不会同时到达极限，但是在设计中会出现按结构弹性状态进行取值的情况。当按结构弹性状态计算时，每个部件都不会达到极限承载力，这就造成了整体结构和单个结构非弹性设计部稳合的现象发生。

1.2 结构整体失稳和实际失稳不一致

现阶段的设计规范中对结构失稳的计算规定在同一层结构中出现对称失稳，在设计中会认定结构的稳定性需要将构件设计的长度进行考虑，在这一计算过程中会出现计算结果和实际构件的弹性失稳形式的误差，也就是说，在计算结构长度时不能真实的反省出结构和构件之间的关系。

2 钢结构的设计方法分析

2.1 容许应力法

ASD 的设计原理是，结构构件的计算应力不能超过结构设计规范给定的容许应力。设计人员要借助一阶弹性理论，结合标准荷载相关规范对结构构件应力进行计算；容许应力的确定是依托于经验范围内的安全系数并去除材料的屈服应力和极限应力进行确定的。ASD 设计公式为：

Rn是结构材料的屈服应力或者极限应力标准值，K为安全系数，Sn则是某一工况背景下结构构件通过荷载标准值得出的计算应力，n和i分别表示工况数和某一工况背景下的荷载。

ASD 存在不足。首先，不注重对塑性材料在塑性阶段的承载潜力进行考虑，使其实际安全水平偏高。其次，不注重对几何非线性的影响因素进行合理考虑。第三，安全系数过于单一，无法对抗力和荷载变异的独立性进行反映，使其在不同类型荷载背景下的安全度也存在差异。

2.2 极限状态法

设计人员可以应用抗力和荷载分项系数对传统单一的安全系数进行替代，并成为钢结构设计主流。受制于荷载因素，在使用周期范围内，结构很可能达到承载力能力极限或者正常使用极限状态。构件断裂、失稳、塑性变形等都会对钢结构造成破坏。极限状态背景下的钢结构设计，要避免在使用周期内，结构进入极限状态。极限状态法的设计公式为：

结构构件抗力和荷载效应标准值分别用Rn和Sn表示，抗力和荷载分项系数分别由φ和ri表示。设计人员应用概率分析法和可靠度校核方法得到相关数据，其不同于经验背景下的安全系数。该设计方法能够对AD和PSD设计过程中的不足进行弥补。首先，其应用不同的荷载分项系数和极限状态方程，克服了钢结构设计过程中的相关缺陷，提高了建筑结构设计过程中的钢结构设计水平。

2.3 体系可靠度设计

常用的钢结构体系可靠度计算有响应面法、失效模式法、随机有限元法、MonteCarlo法，下面我针对这几种常用方法进行说明：

1.响应面法；在设计中会利用一阶和二阶相似值代替结构极限状态，并将曲率变化看作最大的极限状态。这样会导致极大误差的产生，但是在正常使用极限状态下的可靠程度计算还是依赖于响应面法。

2.失效模式法：失效模式法不能进行复杂结构体系的精确计算，因为它不能和结构非线性分析进行有效的结合，所以它的局限性较大。

3.随机有限元法：它属于一种新型的计算方法，一般在计算结构功能时可以利用相关的向量导数。其优点在于计算速度快，步骤简便。其缺点是在计算过程中需要要严密的理论推导性。

4. MonteCarl法：这种方法虽然计算简便，但是需要大量的计算数据进行支持，常被用作可靠度计算方法的检验。现阶段的设计中已经使用了降低抽样方差技巧，所以MonteCarlo法在未来结构设计中会占据主导地位。

3 二阶分析方法简介

(1)送审稿提供的一阶分析设计方法和二阶分析设计方法(包括只考虑P-Δ效应、同时考虑P-Δ效应和P-δ效应的二阶弹性分析设计方法及直接设计方法)在构件承载力设计结果方面基本一致。(2)侧移方面，二阶分析结果比一阶分析结果大，特别是对二阶效应比较明显的结构(θi≥0.1)，容易出现一阶分析结果满足规范要求、而二阶分析结果不满足规范要求的情况，建议基于结构可靠度的要求，对一阶和二阶分析的侧移限值分别作出规定。(3)根据送审稿提供的两种整体缺陷计算方法得到的分析结果基本相同，且两种方法均有较好的可操作性，便于在实际工程中应用。(4)二阶弹塑性分析设计能更真实、更直观地反映结构整体受力状态，随着计算机技术的发展，能够进行二阶弹塑性分析设计的软件会越来越多，高等分析设计将是钢结构分析设计未来的发展趋势。

综上所述，钢结构在进行设计的过程中，计算机的应用已经占据了主导地位，钢结构设计和分析的理论不断深入为进行集稳定理论、塑性理论和可靠性理论的钢结构高等分析提供了理论基础和研究条件。虽然我国的高等分析还处于初始阶段，但是通过研究技术的不断深入，钢结构设计将会形成以整体结构极限和承载力极限设计相互集成的设计方法，并且逐渐取代以基础构件承载力极限状态的设计方法，使钢结构设计方法趋于成熟。

[1] 李芹子. 公路钢结构桥梁抗疲劳设计方法研究[D]. 长安大学，2014.

[2] 郑廷银. 钢结构设计方法的研究进展与展望[J]. 南京工业大学学报(自然科学版)，2003，05：101-106.