基于钢结构材料性能的大跨度钢结构设计要点研究

方必纪 闫怀东

浙江嘉华建筑设计研究院有限公司 浙江 温州 325200

进入新世纪以来，国内各地体育场馆、会展中心、高层建筑等工程项目日益增多，各类大跨度结构形式被更加广泛地应用到建筑设计中来，钢结构表现出施工便捷、性能卓越等突出优势，近年来在建筑工程项目中得以普遍应用，为钢结构建筑设计的创新发展提供了新的方向。同时对大跨度钢结构设计而言，由于其结构相对复杂，施工周期较长，需要考虑施工工况、整体屈曲以及使用舒适性等因素，在很大程度上增加了其设计难度，对于建筑设计工作人员来说，必须要确保大跨度钢结构的设计科学合理，保证其实际性能可以符合未来的使用需求，还需要更加全面深入地对大跨度钢结构设计要点进行深入研究。基于此，本文结合笔者实际工作研究，以普通钢框架和网架结构为例分析基于钢结构性能的大跨度钢结构设计要点。

1 大跨度钢结构网架结构

网架结构属于大跨度钢结构中较为常见的一类，此类结构目前实际设计中应用较为广泛。网架结构一般表现出非常突出的优势，不但整体结构刚度较大，形变更小，同时结构应力分布较为平均。选择网架结构进行设计可以有效减少整个钢结构的自重，同时拥有较高的承重性能，这也是网架结构当前在大跨度钢结构中广泛应用的主要原因[1]。

2 基于性能的大跨度钢结构设计要点

2.1 材料性能

钢材属于现代建筑设计中非常常见的材料，其表现出较强的可塑性和韧性，同时在实际施工作业中可以便捷高效地进行组装，有效促进施工效率的提升。大跨度钢结构设计必须要根据建筑设计规范标准和抗震设计规定，钢筋伸长率不低于20%，抗拉强度具体测量值应≤0.85，确保钢材满足建筑设计的实际需求。对比美国AISC建筑设计规范，现阶段国内针对大跨度钢结构设计来说还有待进一步完善，基于性能的角度出发对大跨度钢结构进行设计时，必须要对钢结构实施变形性能预测，确保性能设计满足规范标准。与此同时在进行体系性能设计的过程中，要严格按照JGJ7-2010等规范要求，开展好钢结构稳定承载力测定，清楚承载力指标，确保钢材性能符合要求。

2.2 荷载及作用

①永久荷载。永久荷载对于大跨度钢结构而言通常来说涉及到屋面材料和屋盖相关设施的自重，例如说各类保温材料、防水层结构以及吊顶等，在设计过程中计算其永久荷载必须要充分考虑到上述因素，从而保证大跨度钢结构可以提供足够的支撑性能。

②可变荷载。在大跨度钢结构设计过程中应科学计算考虑可变荷载，首先是屋面活荷载，均匀分布于屋面的活载荷应当根据屋面水平投影面积大小予以计算。大跨度钢结构屋面均匀分布的活荷载标准通常来说取值0.5kN/m2，若实际施工作业时出现相对较大的荷载，应当根据具体情况选择有针对性的解决措施；其次是雪荷载，大跨度钢结构屋面几何形状以及朝向等相关因素都会在很大程度上决定雪荷载大小，一般来说屋面低于全部的雪压，雪容易从坡度更大的曲面屋顶滑落，若双坡屋面的背风侧或者曲面屋顶发生积雪，应当对雪荷载予以再次计算；最后是风荷载，大跨度钢结构建筑的表面很多时候会遇到因为风力产生的压力与吸力，即建筑的风荷载。风荷载通常情况下作用于建筑物表面，存在静力与动力作用两类，往往把平均风与稳定风计算为静力部分，脉动风计算为动力部分，在建筑设计过程中，平均风能够通过静力学方法予以计算，脉动风对大跨度钢结构的作用可以选择随机振动理论实施计算[2]。

③偶然荷载。偶然荷载一般来说是因为各种突发事件而造成建筑结构发生变动，常见的一般有地震、台风等。对大跨度钢结构设计来说，在实际设计时必须要充分研究偶然荷载作用。偶然荷载实际大小往往和钢结构自身特性存在关系，也可能因为地面振动而产生影响或变化。例如说针对地震作用进行分析时能够了解到，建筑物自身重量越大，地震所产生的作用越强，设计人员可以借助于振型分解反应谱法来针对大跨度钢结构的地震作用实施计算，亦或是借助于简化计算方法来对网架结构实施分析，选择时程分析策略对关键位置或较为复杂的钢结构进行计算。

④温度作用。《建筑结构荷载规范》GB50009把基本气温定义为月平均最高温度和月平均最低温度。对于过去很多建筑结构设计而言，温度对结构受力不会产生较大影响，通常设计过程中予以忽略。而对大跨度钢结构而言，因为构件连续长度更大，钢材自身存在热胀冷缩的特性，很容易对结构带来较大的次生内力，若设计人员没有充分考虑温度作用带来的影响，必然会对整个建筑结构的稳定性埋下隐患。

2.3 节点性能

因为大跨度钢结构体系表现出复杂性和多样性的特征，节点具体形式各有不同。网架结构一般来说为螺栓球节点或者焊接球节点，同时还包括类似于铸钢节点或者销轴节点等类型。大跨度钢结构和普通钢结构相同，其节点性能必须要在强度、刚度以及稳定性等各方面达到要求。首当其冲的是强度要求，节点连接件以及板材等不会出现强度破坏的现象，这是钢结构节点的基本性能要求。对大跨度钢结构设计的过程中必须要确保结构体系达到建筑抗变形要求，比如说网架结构亦或是双层网壳结构，节点能够简化成铰接节点，节点能够进行转动；针对单层网壳来说节点应当设计为刚接；对于管桁架结构而言，弦杆在节点位置应当设计为刚接，腹杆在节点位置应当设计为铰接亦或是刚接。在确保结构稳定的前提下，借助于构造措施以及有限元分析法来对节点域变形进行有效控制，从而保证不会对大跨度钢结构的整体刚度带来影响。对于节点的稳定性来说，常见问题往往集中在受压板件位置，受压板件长度必须要达到构造需求，对重要部位需要实施有限元分析，保证各个节点的稳定性能。

2.4 抗火性能

抗火性能设计属于大跨度钢结构设计过程中必须要尤其重视的问题。此类建筑如果出现火灾往往无法有效发挥出防火隔烟的能力，很容易引起火势蔓延。针对普通建筑来说，能够使用火灾探测器予以控制，但大跨度钢结构建筑由于内部空间相对更大，火灾发生之后，短时间所产生的空间温度一般难以触发火灾探测器，因此也不能够发挥出实际的预警效果。特别是对于体育场馆来说，其内部人员更多，如果无法第一时间予以疏散，必然会导致十分严重的事故。因此设计人员必须要充分考虑到大跨度钢结构的抗火性能，促进建筑整体安全性的不断提升。实际设计过程中应当在热传导系数等数据支撑下科学计算内部温度，同时依靠屈服强度等计算钢结构处于高温时的内力和形变状况，从而确保设计方案的科学合理[3]。

大跨度钢结构内的钢构件达到耐火极限的情况下可以承受的最大温度是其最大抗火性能。当出现火灾之后，钢构件可能会发生拉断现象，从而导致结构坍塌。所以针对大跨度钢结构进行设计时，应当在钢构件处于耐火极限的状态下对其受到的破坏结果予以深入分析，如此一来才可以准确得到钢结构的最大抗火性能。同时针对大跨度钢结构建筑来说，火灾发生后其内部温度逐渐提高，对整个结构的屈服强度也可能带来影响，实践计算后了解到，如果钢结构处在恒载升温的情况下，其塑性变形如果超过0.2%，代表钢结构失去抗火性能，这时我们便能够更为准确地了解其耐火极限和临界温度，为科学设计带来准确的数据参考。

2.5 失稳分析

失稳亦称之为屈曲，即钢结构亦或是构件失去整体稳定性，针对大跨度钢结构施工过程中，失稳问题的发生概率较高。对于大跨度钢结构的整体设计应当充分结合稳定性要求，做好支撑体系的布置。例如某电镀产业园，因为消防方面的要求，大跨度钢结构设备连廊需设置于主梁下侧，原设计要求利用隅撑对钢主梁受弯上翼缘予以约束，但由于施工组织原因实际并未设置隅撑造成主梁屈曲。该事故说明大跨度钢结构施工对施工组织环节提出了更高的要求。

2.6 舒适性设计

当代建筑结构的振动频率在不断地降低，主要原因是结构设计的跨度相比之前有大幅度的提高。使得大部分结构的基频落在人类正常活动产生的频域区间内，因此在大跨结构设计中必须考虑舒适度的问题，类似于体育馆等建筑在设计施工过程中所选择的钢楼盖结构较为复杂，不能够仅仅针对敏感位置的时程加速度曲线来证明结构激励产生的振动形式，如果条件允许应当对结构实施振动加速度实测，得出合理的数字模型，进而为舒适性分析带来更多依据。实际设计过程中，增强结构构件刚度属于一种更经济且高效的方式，针对新建项目能够选择钢材和混凝土相组合的结构形式，另外依靠提升板厚等措施来满足舒适性需求[4]。

3 结束语

综上所述，近年来现代建筑技术得以飞速发展，大跨度钢结构的设计方法也不断更新。实际设计时必须要基于建筑具体使用需求的角度着手，在符合设计要求的基础上充分考虑其他因素可能对大跨度钢结构施工带来的不利影响。