基于性能的大跨度钢结构设计路径探究

宋力

摘要：当前建筑工程施工技术发展水平日益提高，大跨度工程设计建设中钢结构也得到了较为广泛的应用。大跨度钢结构设计是一个相对较为复杂的过程，因此为了保证设计的质量，应在设计中严格按照相关的规范和要求来处理，进而有效提高设计的合理性。

关键词：大跨度；钢结构；设计；规范

大跨度钢结构与其他结构的设计存在着很多的相似之处，需要在设计的过程中采取有效的方式，解决结构变形设计及荷载设计过程中容易出现的多种问题。而且大跨度结构在设计的过程中也会受到很多因素的影响，故此设计人员在工程建设和实践过程中，应充分地考虑行业规范要求，进而完成结构的分析和计算工作。

一、大跨度钢结构的特点

（一）构件数量和截面类型众多

大规模的建筑通常由上万个构件组成，同时构件的类型尺寸和截面各不相同，因此这也为施工单位的放样环节带来了非常大的困难，一些弯曲构件必须要经过严格的检验才能应用于工程当中。

（二）构件加工精度要求严格

大跨度工程通常为重点建设工程，所以对建筑质量有着十分严格的要求。施工人员应加大构件加工精度控制力度，规定构件焊接的过程中均应達到一级水平，这就加大了设计和建设的难度。

（三）现场焊接工作较为繁重

施工前通常需要对其进行预拼装处理，同时需要完成大量的焊接工作。大跨度钢结构不同于普通的建筑结构，所以必须要使用全新的设计理念和施工技术，只有这样，才能保证工程设计和建设的质量。

二、大跨度钢设计概述

（一）性能设计

在结构设计和发展的过程中，以性能为基础的结构设计理念是一种非常主流的发展趋势。性能的设计主要是采用多种方式达到结构性能目标的设计方法。其主要借助对结构的科学分析及计算，对钢结构在不同条件下的性能参数予以科学预测和分析，从而判断结构设计能否满足大跨度钢结构性能标准的要求。

（二）结构几何与材料双非线性计算分析

当前，在大跨度钢结构设计和施工的过程中，出现了很多的新材料和新工艺，钢结构建筑的自重更小，且跨度也明显提高。在达到屈服荷载前，建筑的变形也更为明显，且其几何非线性特征也更为显著。若结构即将达到结构荷载的极限值时，材料的性质也会从线弹性逐渐转变为塑性。利用有限元方式完成大位移弹塑性分析，这样便能够充分地了解并掌握受到极限荷载作用后结构自身的工作状态。现阶段，众多的有限元计算软件均应用在了结构设计当中，这也提高了结构几何和材料双非线性计算分析的质量和效率。

（三）延性性能前提下的设计思路

在性能基础上的设计，必须要充分考虑到钢结构自身的性能，结合结构分析计算的最终结果，以及不同荷载作用下的结构响应，对大跨度钢结构的性能进行科学评估。此外还要以此为根据确定工程设计的方案。并在设计工作中将钢结构材料的延性作为一个重要的考量指标。

三、基于性能的大跨度钢结构具体设计分析

（一）变形能力的设计

在大跨度钢结构设计的过程中，需确保钢结构体系既可满足变形能力的基本需要，又能满足结构承载力和稳定性的基本要求。在钢结构体系中的所有构件均能够达到强度的基本要求后，再对材料的结构弹性变形予以有效控制，从而加强设计的质量及效果。另外在设计中通常采用施加预应力与结构预拱的方式。在预应力处理方法当中，其能够有效改善结构的刚度与承载力，控制结构的弹塑性变形，同时还可增强钢结构体系的弹塑性变形能力，将适度的预应力施加在结构当中，以此便能够减少结构变形和损坏对结构性能的影响。

（二）荷载类型设计

荷载主要分为三种形式，一种是永久荷载，一种是可变荷载，最后一种是偶然荷载。在大跨度钢结构当中，永久荷载通常是由屋面覆盖材料的自重与无盖结构的自重构成。屋面覆盖材料相对较多，其主要有屋面板、屋面保温结构和防水层。屋盖结构重量计算通常采用计算公式或计算机完成，若屋盖当中包含檩条结构，则应将擦条的重量也算入到结构的重量当中。如果结构中有吊顶结构或设备管道，则要加入到计算的范围。此外，在工程施工中大跨度钢结构会受到工程实际情况的影响，因此其可变荷载也会存在较大的差异，主要分为以下几种：

第一种是屋面活荷载。这种荷载的计算需要充分结合屋面水平投影面积的大小。大跨度钢结构屋面上的活荷载标准通常为0.5kN/m2，而如果在工程建设或维修时出现较大的荷载，则应充分结合具体情况，来采取更具针对性的处理方式。

第二种是雪荷载。雪荷载的大小与钢结构屋面的形状、朝向等都存在着十分密切的关系。一般而言，屋面雪荷载不会超过最大雪压。雪可能会从较陡的曲面屋顶上滑落到地面，风也会刮走松散性较强的雪，在温度升高后，屋面的雪也有可能会发生融化现象。而对于双坡屋面的背风坡或者曲面屋顶出现积雪，则应对雪荷载进行重新计算。

第三种是风荷载。若大跨度钢结构建筑对空气的流动起到了较为明显的阻碍作用，建筑物的表面就会出现不同程度的法相压力和吸力，上述受力也就是建筑物所要承受的风荷载。风荷载主要作用于建筑物的表面，其主要有两个作用，一个是动力作用，一个是静力作用。

静力作用主要为平均风和稳定风。动力作用通常为建筑物所受到的脉动风。在计算平均风的过程中，可采用静力学的方法，而在计算脉动风对结构产生的作用力时，一般选用动力学当中的随机振动理论。

偶然荷载也是一个十分重要的荷载类型。在大跨度钢结构设计当中，应充分考虑到地震等多种偶然荷载对建筑物受力所产生的影响。如果地面发生振动，则建筑物会受到不同程度的惯性力。钢结构的特性会影响到偶然荷载的数值。研究人员在对地震作用进行科学分析时，发现建筑物的自重越大，地震作用就越明显。在研究和分析过程中，采用了振型分解反应谱法完成了对大跨度钢结构地震作用的测算。此外对一些较为规则的网架结构可以采用简化算法。且在计算重要钢结构或复杂钢结构的过程中，一般采用时程分析的方式。

四、结语

综上所述，在结构设计时应采用全新的设计理念，并积极拓宽设计的思路，不断改进和完善设计的整体方案，进而达到大跨度钢结构设计的基本要求，最终提高大跨度钢结构工程的质量。

参考文献：

[1]元军会，吕乾乾.基于性能的大跨度钢结构设计探讨[J].建筑工程技术与设计，2016（6）.

[2]王全胜.简要分析基于性能的大跨度钢结构设计[J].建筑知识，2017（2）.