基于性能的大跨度钢结构设计研究浅析

【摘要】对于大跨度的钢构件来说，它的体系、节点以及钢结构对其稳定性和安全性都产生了很大的影响，本文主要介绍的是基于性能的大跨度钢结构设计研究。重点是几何非线性的方法进行研究，对破坏变形、屈服变形、破坏荷载、屈服荷载的参数进行研究，从而从性能的角度出发，对大跨度的钢结构提出一些设计的方法。

【关键词】大跨度钢结构、设计研究、性能

一、前言

大跨度的钢结构和其他的钢结构设计的方法是一样的，要考虑到它的节点、构件等等。但是其与众不同的地方就是大跨度钢结构会受到几何和材料非线性的很大影响。所以，在对大跨度钢结构进行设计研究的时候，更多地是基于其性能对它分析，以此保证大跨度钢结构的稳定性和整个建筑的安全性。

二、大跨度钢结构的几点特性

1、运用预应力技术

在现代的建筑设计当中，预应力技术得到了广泛的运用，主要是在索膜、索穹顶以及整体张拉的这些较为新型的结构中比较常见。在该结构承受重量之前，先对它施加一个和荷载力相对应的力，称为预应力，这样可以将构件的刚性提高，使得建筑更加稳定。

2、对材料的质量要求严格

现在对于建筑物的功能要求越来越严格，为了充分地发挥出一个建筑物的所有功能，大跨度钢结构的跨度已经越来越大，比如"鸟巢"，它的跨度就有296米，又比如说"水立方"跨度也很大，有177米，这么长的跨度，为了使得其安全性和稳定性都得到保障，就需要对材料提高要求，一定要强度高的钢材才，才能保证施工的质量。

3、构件的数量大，为施工和设计带来了困难

大跨度结构梁的工程量是很大的，一般构件的数量都是成万个，有的更多可以达到几十万个，不但如此，构件的类型也是各种各样的，他们的切口、尺寸、横截面都不一样，这就又为施工增加了困难。

三、基于性能的大跨度建设钢结构设计

1、性能的设计

在众多的针对大跨度建设下的钢结构的设计方法里面，设计方向都是基于性能的钢结构设计；基于性能的钢结构设计，就是指利用相联系的工程设计法来完成原先设定的目标的一种设计方法，在运用该方法的时候，对于不同的结构承载的荷载量一定要进行预测，然后才可以对大跨度建设钢结构的性能进行有效地估计，判断此种钢材料的结构是否能与其性能相符。

2、以结构延性为基础的设计理念

在一个钢结构中，从某个截面开始屈服起到这个结构达到了最大荷载的这一过程，载荷没有明显的下降的一种变形的能力称作延伸性能。如果一个构件的延伸性能很好，在后期的时候就会产生很大的变形能力，在该构件达到了它的最大承受值的时候，它还可以吸收一定的能量，在其崩溃之前还可以具有一定的延性破坏，所以，在对大跨度的钢结构进行设计的时候，一定要重视它的延伸性能，其具体可以表现为以下的几个方面：

（一）、在设计钢结构延伸性能的时候，要考虑到几个关键的因素，比如：破坏荷载、屈服变形、破坏变形等等；在结构响应的阶段里，构件的加载曲线表现的荷载的最大值是破坏荷载；在一个钢结构的设计中，构件最大的承载值就是破坏荷载，与破坏荷载相对应的就是构件出现的形变。

（二）、在对钢结构进行延伸性能设计的时候，最重要的是要得到相应的参数，这样才使确定下来的屈服变形的数据、屈服荷载的数据具有科学性和合理性，保证钢结构的安全性，同时，也要合理地确定承载力的系数，这样钢结构在运行过程中才可以储备一定的承载力。

综上所述，在钢结构的设计过程中，主要计算的数据就是几何非线性还有非线性的材料，并对其进行分析，以此得到关于荷载、应变还有有关位移表示的全过程相关的曲线，从曲线中之道钢结构的破坏荷载、屈服荷载以及破坏变形等各项性能的指数，并且对保证安全性的指标进行控制。

3、材料和几何非线性的计算

现在大跨度的钢结构的设计在不断地发展，新技术被不断地采用，并且材料的强度也逐渐增高，这都是得现在钢结构的跨度越来越大，并且建筑物的整体重量都在慢慢降低，在钢结构到达了它荷载的最大值的时候，还可以产生一定的变形，表现出一定的集合非线性性质，因此在对钢结构的承载能力进行分析的时候，一定要考虑到材料的选择还有集合非线性的两类性质，为了了解钢结构在到达最大承载力的时候，它的相关工作，通常会在分析的过程中运用到有限元方法，以此来分析钢结构的大位移弹塑性的整个过程。

四、钢构件性能设计

1、钢结构的承载性能

我国现在通行的规范对于钢结构的稳定性实现的方式使通过经验式的指导性构造设计。对于那些承受压力的构件，通过加大它们的稳定系数，来提高安全度，并相配套的有一个计算公式。

2、钢结构变形性能

我国的规范里关于构件的弹性变形的规定如下

（一）、为了保证构件的正常使用和美观，在对构件进行设计的时候，要考虑到构件的结构和变形时的限值。通常情况，构件变形的容许值是一定的，规范也有规定。当出现的特殊情况或者实践经验的时候，在不影响构件的正常功能的发挥前提下，可以适当调整容许值。

（二）、在对构件和结构变形进行计算的时候，对铆钉孔造成的横截面积缩小可以忽略。

（三）、为了使得构件更加美观，并提高它的实用性，可以先将横向受力的构件拱起，大小应该根据具体的情况来决定，通常情况下，它的值等于恒载标准值和一半的活载标准值之和，同时还具体规定了活载作用下的变形限值。但是，在实际的工程当中，还是会碰到一些问题。比如，结构的预先起拱是在一系列荷载加载之前就有的，因此，对于这些荷载造成的结构的变形，预起拱并不能起到一个降低的作用。而建筑结构能否正常使用都是由这些荷载所决定的。

五、有关钢结构的体系性能设计

在针对钢结构的体系性能进行设计的时候，我们的设计一定要独特、新奇还需要同时具备观赏性，在这些性能都具备的基础上，还要兼顾该项结构的安全性。这就要求我们要深入研究这项钢结构的稳定的承载值还有最大的变形性能。

1、稳定承载力设计标准

（一）、大跨度的钢结构体系呈现的都是产生了巨大的变形导致稳定性遭到了破坏，对其进行分析的基础是荷载-位移的全过程，根据分析得到破坏荷载、屈服荷载等等性能参数。

（二）、将破坏荷载系数、屈服荷载系数以及产生大变形时的荷载系数进行综合分析，其中的稳定荷载系数就是这三个当中的最小值。

2、变形能力

通过大量的分析与研究，提出对大跨度钢结构的体系变形能力的指标控制和设计方法：

（一）、计算分析如在基于弹性的时候，按照现行的规范来设计结构体系的最大弹性变形。

（二）、对于钢结构的分析应当基于上非线性的荷载-位移全过程进行，以此来得到破坏变形指数、屈服变形值等重要的参数。

六、钢节点性能设计研究

对于整个钢结构的安全设计的过程中，钢结构节点的性能设计是最重要的，钢节点也是事故频发的地方，为了保证钢节点的安全性，就要有一套比较相当可靠的理论还有一套计算公式和方法，，在这里就可以用到上文中所提到的基于双非线性分析的设计控制方法。

七、结束语

随着现在的科学知识的不断进步，设计的理念和方法也在与时俱进，基于性能的大跨度钢结构设计也在逐步发展，并且成为了现在钢结构设计的一个发展方向。在对钢结构进行设计的时候，每一位工作人员一定要本着严谨的科学态度，创新的科学思维，使基于性能的设计方法在大跨度钢结构设计中得到普及，并且发挥出最大的作用。

参考文献

[1] 万金国；钢结构非线性分析方法研究及其在软件中的实现[D]；武汉大学；2010年

[2] 张爱林；张艳霞；刘学春；；震后可恢复功能的预应力钢结构体系研究展望[J]；北京工业大学学报；2013年04期

[3] 许国杰；葵花型逐层双环索穹顶结构局部构件失效时力学性能研究[D]；浙江大学；2011年

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